JP3808336B2 - 適応アンテナ送信装置及びその制御方法 - 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送信装置及びそ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１３に下り通信の伝搬環境の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１３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５０１１〜５０１Ｎと、各アンテナ素子５０１１〜５０１Ｎに接続され入力信号に複素重みを課す重み付け装置５０２１〜５０２Ｎと、各重み付け装置５０２１〜５０２Ｎの重みを制御する重み制御装置５０３と、基準信号発生装置５０４と、受信時には各アンテナ素子５０１１〜５０４Ｎで受信され重み付け装置５０２１〜５０２Ｎ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５０２１〜５０２Ｎに分岐するための合成／分岐装置５０５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５０１１〜５０１Ｎで受信された信号をｘ1 〜ｘN とし、重み付け装置５０２１〜５０２Ｎ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を形成する重みの値は、
【０００５】
【数１】
【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周波数が異なるＦＤＤ(Frequency DivisionDuplex) システムや、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 with Mobile 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。また、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され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えると、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異なる信号を送信し、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素子で、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。即ち、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２】
【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３】
【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。
【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異なる信号を送信するので、伝達関数推定時に指向性パターンを形成することができず、このため、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、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及びそ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は、それぞれＭ個のアンテナ素子が所定の位置関係に配置されたＭ個のサブアレーアンテナが前記所定の位置関係と同一の位置関係に配置され、同一の指向性パターンを有する複数のアンテナ素子と、受信局への送信信号に基づいて各サブアレーアンテナ毎に異なるＭ個の信号を生成する信号発生装置と、前記Ｍ個の異なる信号をそれぞれＭ個に分岐する分岐装置と、前記分岐された各信号にそれぞれ重み付けを行って対応する各アンテナ素子に与える複数の重み付け装置と、各重み付け装置に設定される重みを制御することにより各サブアレーアンテナの指向性パターンを同一に制御する指向性制御装置とを備えたことを特徴とするものである。
【００２３】
従って、本発明によれば、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の位置関係と、各サブアレーアンテナの位置関係とを同一にすると共に、サブアレーアンテナ毎に指向性パターンが同一となるように制御することによって、送信局の適応アンテナ送信装置における各アンテナ素子と受信局のアンテナとの間の伝達関数を推定する場合に、上記伝達関数を、各サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数で近似することができる。このため、各アンテナ素子から異なる信号を送信することなく、従って、他システムや同一周波数を利用する他チャンネルに干渉を与えることなく、また、スループットを低下させることなく、上記伝達関数の推定を行うことができる。
【００２４】
また、本発明による適応アンテナ送信装置の制御方法は、それぞれＭ個のアンテナ素子が所定の位置関係に配置されたＭ個のサブアレーアンテナが前記所定の位置関係と同様の位置関係に配置され、同一の指向性パターンを有する複数のアンテナ素子と、受信局への送信信号に基づいて各サブアレーアンテナ毎に異なるＭ個の信号を生成する信号発生装置と、前記Ｍ個の異なる信号をそれぞれＭ個に分岐する分岐装置と、前記分岐された各信号にそれぞれ重み付けを行って対応する各アンテナ素子に与える複数の重み付け装置と、各重み付け装置に設定される重みを制御することにより各サブアレーアンテナにおける各指向性パターンを同一にする指向性制御装置とを備え、送信局に設けられたた適応アンテナ送信装置の制御方法であって、前記各サブアレーアンテナから異なる信号系列を送信し、前記受信局において各サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数を推定し、上記推定結果を上り通信により前記送信局に送信し、送信局において、受信した推定結果に基づいてサブアレーアンテナで形成する指向性パターンを決定することを特徴とするものである。。
【００２５】
従って、本発明によれば、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の位置関係と、各サブアレーアンテナの位置関係とを同一にすると共に、サブアレーアンテナ毎に指向性パターンが同一となるように制御し、また、各サブアレーアンテナから異なる信号系列を送信し、受信局において、送信局の適応アンテナ送信装置における各アンテナ素子と受信局のアンテナとの間の伝達関数を推定し、推定結果を送信局にフィードバックし、送信局において、フィードバックされた推定結果に基づいて各サブアレーアンテナ毎の指向性パターンを決定することにより、各アンテナ素子と受信局との間の伝達関数を、各サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数で近似することができる。このため、各アンテナ素子から異なる信号を送信する必要がなく、従って、他システムや同一周波数を利用する他チャンネルに干渉を与えることなく、また、スループットを低下させることなく、伝達関数の推定を行うことができる。
【００２６】
【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の実施形態による送信局におけ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、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の位置関係と、複数のサブアレーアンテナの位置関係を同一とすることによって、各アンテナ素子と端末局（受信局）との間の伝達関数を各サブアレーアンテナと端末局との間の伝達関数で近似するようにしたものである。
【００２７】
図２はサブアレーアンテナを直線アレーアンテナによって構成した場合の構成例を示す。図３はサブアレーアンテナ間で１つのアンテナ素子を共用する場合に用いられる合成器を示す。図４はサブアレーアンテナを平面アレーアンテナで構成した場合の構成例を示す。図５はサブアレーアンテナからの送信信号のフレームを示す。図６はアンテナ素子間の相互結合が影響する場合に各アンテナ素子の指向性を同一とするためのアレーアンテナ構成方法を示す。図７は本実施の形態による効果と従来方法の効果を示している。
【００２８】
各図において、１１１１〜１１ＭＭはアンテナ素子、１２は複数サブアレー用信号発生装置、１３１１〜１３Ｋ１〜１３ＭＭは出力端子、１４１１〜１４ＭＭは重み付け装置、１５１〜１５Ｍは分岐装置、１６は信号発生装置、１７は指向性制御装置、１８（図３）は合成器、１９１〜１９Ｍはサブアレーアンテナ指向性形成装置である。尚、Ｍは１以上の整数である。
アンテナ素子１１１１〜１１ＭＭは、サブアレーアンテナ１〜Ｍを構成する。サブアレーアンテナ１は、アンテナ素子１１１１〜１１１Ｍで構成され、サブアレーアンテナ２は、アンテナ素子１１２１〜１１２Ｍで構成され、サブアレーアンテナＭは、アンテナ素子１１Ｍ１〜１１ＭＭで構成されている。
【００２９】
次に動作について説明する。
図１において、受信局（端末局）への送信信号は、まず信号発生装置１６に入力される。信号発生装置１６では、受信局が伝搬環境を推定する区間において、Ｍ個のサブアレーアンテナ毎に異なる信号が入力されるように、サブアレーアンテナ毎の入力信号を生成する。
送信局と受信局で予め定められた既知信号を利用できる場合には、図５に示すように受信局への送信信号に既知信号を付加した入力信号を発生し、既知信号を送信する区間では、各サブアレーアンテナからは異なる信号系列が送信されるようにする。
【００３０】
さらに、情報信号を伝送中にも伝搬環境を推定するには、例えば信号発生装置１６において送信信号のシリアルーパラレル変換を行えばよい。あるいは、入力信号をサブアレーアンテナの数に分岐した後、異なる畳み込み符号化をかける方法もある。また、入力信号に対して畳み込み符号等の符号化を行った後、シリアルパラレル変換する方法等もある。
【００３１】
信号発生装置１６の出力信号は、分岐装置１５１〜１５Ｍに入力され、それぞれサブアレーアンテナを構成するアンテナ数Ｍに分岐される。分岐装置１５１〜１５Ｍの出力信号は、重み付け装置１４１１〜１４ＭＭにより重み付けされた後、出力端子１３１１〜１３ＫＭから出力される。
【００３２】
ここで、重み付け装置１４１１〜１４ＭＭにより重み付けされる重みの値ｗ11、ｗMMは以下の関係を満たすように指向性制御装置１７により制御される。
ｗnm＝ｗnm , ……（７）
ただし、ｎはＭ個のサブアレーアンテナにおけるｎ番目のサブアレーアンテナを表し、１≦ｎ≦Ｍである。またｍはサブアレーアンテナを構成するＭ個のアンテナ素子のｍ番目を表し、１≦ｍ≦Ｍである。
上式のように各重みを制御することによって、各サブアレーアンテナで形成される各指向性パターンは同一になる。
【００３３】
複数サブアレー用信号発生装置１２の出力信号（重み付け装置１４１１〜１４ＭＭの各出力信号）は、複数のアンテナ素子１１１１〜１１ＭＭに与えられ、送信局から送信される。ここで、複数のアンテナ素子１１１１〜１１ＭＭは、各指向性パターンが同一のものを使用するものとする。
【００３４】
また、隣接するアンテナ素子の影響で指向性パターンに差が生じる場合には、無給電のアンテナを周辺に配置することで、指向性パターンを調整する。例えば、直線上にアンテナ素子を配置し、素子間隔を等間隔とした場合には、両端のアンテナの指向性を補正するために、図６に示すようにその両側に無給電の付加素子を配置すればよい。
【００３５】
図２に直線アレーアンテナの場合のアンテナ配置を示す。図中、略凹形で囲ったアンテナによりサブアレーアンテナが構成される。図示では、それぞれ３つのアンテナ素子により３つのサブアレーアンテナが構成されている。この場合、各１ブアレーアンテナにおいて、各アンテナ素子の配置（位置関係）は同一となっている。また、サブアレーアンテナ間の間隔は、サブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔と同一となっている。即ち、各サブアレーアンテナの配置（各凹形の位置関係）とサブアレーアンテナ内のアンテナ素子の配置は同一となっている。
【００３６】
尚、図２のように各サブアレーアンテナで同じ位置にアンテナ素子を配置する必要がある場合には、１つのアンテナ素子を複数のサブアレーアンテナで共用することも可能である。１つのアンテナ素子を２つのサブアレーアンテナで共用する場合は、図３に示すように合成器１８を用いて、異なる２つのサブアレーアンテナからの信号を合成した後、アンテナ素子に入力する。
【００３７】
以下、伝搬環境をフラットフェージング環境として、本実施の形態の動作について説明する。フラットフェージング環境がマルチパス環境であり、送信局でのマルチパス波の方向がほぼ同一方向となる場合は、アンテナ素子ｎと受信局との間の伝達関数ｈn は以下の式で表すことができる（荒木純道、鄭重植、ノル シャヒタ モハッマド シャー 阪口啓、高田潤一“Extension of array mode vector to take the angular spread into account”電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、20O0年９月）。
【００３８】
【数４】
【００３９】
ただし、Ａ、θn は共に複素数であり、直線アレーアンテナではθn はある基準位置からの距離に比例する値である。例えば、図２でアンテナ素子１１１１の位置を基準とした場合には、以下のようになる。
【００４０】
【数５】
【００４１】
ここで、ｈnmはサブアレーアンテナｎのアンテナ素子ｍと受信局との間の伝達関数を表すものとする。このとき、受信局で推定するサブアレーアンテナｎと受信局との間の伝達関数Ｈn は以下の式で表される。
【００４２】
【数６】
【００４３】
各サブアレーアンテナの配置と、サブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の配置が同じなので、Ｈn とＨm の間には以下の関係が成り立つ。
【００４４】
【数７】
【００４５】
例えば、サブアレーアンテナ１を基準とし、θ1 ＝０とすれば、Ｈn ／Ｈ1 によりθn を推定することができる。さらに、推定したθn を用いれば、以下の式によりＡを推定することができる。
【００４６】
【数８】
【００４７】
次に、図４に平面アレーアンテナの場合のアンテナ配置（位置関係）を示す。図中、三角形で囲ったアンテナ素子によりサブアレーアンテナが構成される。図示のように、それぞれ３つのアンテナ素子により３つのサブアレーアンテナを構成した場合、各サブアレーアンテナにおいて、アンテナ配置は同一となっている。また、サブアレーアンテナの配置はサブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の配置と同一となっている。
【００４８】
即ち、各サブアレーアンテナを構成する３つのアンテナ素子が形作る全ての三角形（１１１１−１１１２−１１１３の作る三角形、１１２１−１１２２−１１２３の作る三角形、１１３１−１１３２−１１３３の作る三角形）は合同である。
【００４９】
また、各サブアレーアンテナの配置は、サブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の配置と同様である。即ち、図４において、各サブアレーアンテナの重心（鈍角の頂点等でも可）を結んだ三角形は、１１１１−１１１２−１１１３の作る三角形、１１２１−１１２２−１１２３の作る三角形、１１３１−１１３２２−１１３３の作る三角形と合同である。
また、上記合同を相似とする場合が、後述する第５の実施の形態である。
【００５０】
尚、図示のように、各サブアレーアンテナで同じ位置にアンテナを配置する必要がある場合には、１つのアンテナ素子を複数のサブアレーアンテナで共用することも可能である。共用する場合には図３の合成器１８を用いて、異なるサブアレーアンテナからの信号を合成した後、アンテナ素子に入力する。
【００５１】
上記平面アレーアンテナの場合にも、伝達関数は（８）式のように表すことができる。サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数も（１０）式のように表すことができ、さらに、サブアレーアンテナ１を基準とすることで、（１１）、（１２）式により各アンテナ素子と受信局との間の伝達関数を推定することができる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、サブアレーアンテナと受信局との間で伝達関数を推定することによって、各アンテナ素子と受信局との間の伝達関数を推定することができる。
【００５２】
図６に本実施の形態による方法と図１３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。
図から分かるように、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による方法では、サブアレーアンテナ毎に指向性パターンを形成し、アンテナ素子数を増加させることにより干渉量を低減できることが分かる。
また、従来方法では、伝搬環境推定時に指向性パターンを形成することができないため、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。
【００５３】
図８は本発明の第２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、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の配置と、複数のサブアレーアンテナの配置とを同一とすることによって、各アンテナ素子と複数の受信局との間の伝達関数を各サブアレーアンテナと各受信局との間の伝達関数で近似することを可能としたものである。
【００５４】
図８において、１１１１〜１１ＭＭは複数のアンテナ素子、２１１〜２１Ｋは複数サブアレー信号発生装置で、図示せずも図１の重み付け装置と分岐装置とからなるサブアレーアンテナ指向性形成装置をそれぞれ内蔵している。２２１１〜２２ＭＭは合成器、２３１１１〜２３ＫＭＭは出力端子、１７は指向性制御装置である。Ｋは同一チャンネルで通信する受信局の数である。尚、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の配置と、各サブアレーアンテナの配置とは、図２、図４と同様であるとする。
【００５５】
次に動作について説明する。
各受信局１〜Ｋへの送信信号は、複数サブアレー信号発生装置２１１〜２１Ｋに入力されて各サブアレーアンテナ毎に異なる信号が生成される。複数サブアレー信号発生装置２１１〜２１Ｋの出力信号は、合成器２２１１〜２２ＭＭに入力されて、同一のアンテナ素子に入力する各受信局用の複数サブアレー信号発生装置２１１〜２１Ｋからの出力信号を合成し、各アンテナ素子１１１１〜１１ＭＭに与える。各複数サブアレー信号発生装置２１１〜２１Ｋ内部の重み付け装置に対して指向性制御装置１７により設定する重み値は、複数サブアレー信号発生装置毎に異なる値とし、各受信局に対して異なる指向性パターンを形成する。
【００５６】
本実施の形態によれば、図２の直線アレーアンテナ、図４の平面アレーアンテナのどちらの場合でも、複数の受信局で同一チャネルの同一時刻において各サブアレーアンテナと各受信局との間の伝達関数の推定が可能になる。
さらに、（１１）、（１２）式を用いることにより、各アンテナと各受信局との間の伝達関数の推定も可能となる。また、図７に示す効果は本実施の形態においても得られる。
【００５７】
図９は本発明の第３の実施の形態による動作を示すフローチャートである。本実施の形態は、第１の実施の形態で用いられる適応アンテナ送信装置の制御方法であり、受信局が１局の場合に、下り回線の指向性パターンの形成と伝搬環境推定を同時に行うと共に、伝搬環境推定結果を下り回線の指向性パターンの形成に反映させる場合を示している。
【００５８】
図９において、ステップＳ１により、サブアレーアンテナｎから送信される送信信号をSn(t) と表すと、受信局での受信信号は、
【００５９】
【数９】
【００６０】
と表すことができる。例えば、伝搬環境推定時刻における信号Sn(t) が既知である場合には、ステップＳ２により、受信信号とSn(t) の相関値を求めることにより、以下のようにサブアレーアンテナとの伝達関数を推定することができる。
【００６１】
【数１０】
【００６２】
ただし、各サブアレーアンテナから送信する送信信号の間には相関がないものを選び、以下の式を満たす必要がある。
【００６３】
【数１１】
【００６４】
また、送信局からの送信信号が未知である場合には、既知信号区間等で一度推定した伝達関数Ｈn を利用し、
【００６５】
【数１２】
【００６６】
が最小となるようにSm(t) を決定し、判定後に（１４）式により伝達関数を推定すればよい。また、既知信号区間の場合には、各アンテナの代わりに、前述したSpace-Time-Coding の符号化を各サブアレーアンテナに適用することで（６）式を用いて伝達関数を推定することができる。
【００６７】
以上のようにして受信局で推定されたサブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数Ｈn は、ステップＳ３により上り通信において送信局に伝送される。送信局への伝送は、無線を用いる方法、有線を用いる方法がある。
送信局ではＨn が推定できれば、（１１）式及び（１２）式によって伝達関数が推定できる。推定した伝達関数に基づいて、例えば以下のように重みベクトルを決定することができる。
【００６８】
【数１３】
【００６９】
上記（１７）式におけるσは任意の定数である。
上述した手順により、下り回線での伝達関数を指向性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してステップＳ４で重み制御を行うことができる。
【００７０】
図１０は本発明の第４の実施の形態による動作を示すを示すフローチャートである。本実施の形態は、第２の実施の形態で用いられる適応アンテナ送信装置の制御方法であり、受信局が複数局の場合に、下り同線の指向性形成と伝搬環境推定を同時に行うと共に、伝搬環境推定結果を下り回線の指向性形成に反映させる場合を示している。
【００７１】
図１０において、ステップＳ１１により、サブアレーアンテナｎから送信される受信局ｋ（１≦ｋ≦Ｋ）への送信信号をSkn(t)と表し、サブアレーアンテナｎの受信局ｋへの信号に対するアンテナｍの重みの値をｗknm と表すと、受信局ｋでの受信信号は、
【００７２】
【数１４】
【００７３】
と表すことができる。例えば、伝搬環境推定時刻における信号Skn(t)が既知である場合には、受信局ｋにおいて、受信信号とSkn(t)の相関値を求めることにより、ステップＳ１２により以下のようにサブアレーアンテナとの伝達関数を推定することができる。
【００７４】
【数１５】
【００７５】
ただし、各サブアレーアンテナから送信する送信信号の間には相関がないものを選び、以下の式をみたす必要がある。
【００７６】
【数１６】
【００７７】
また、送信局からの送信信号が未知である場合には、既知信号区間等で一度推定した伝達関数Ｈn を利用し、
【００７８】
【数１７】
【００７９】
が最小となるようにSk,m(t) を決定し、判定後に（式１４）によって伝達関数を推定すればよい。また、既知信号区間の場合には各アンテナの代わりに、前述のSpace-Time-Coding の符号化を各サブアレーアンテナに適用することで（６）式を用いて伝達関数を推定することができる。
【００８０】
以上のようにして受信局で推定されたサブアレーアンテナと受信局の間の伝達関数Ｈｋｎは、ステップＳ１３で上り通信において送信局に伝送される。送信局への伝送は、無線を用いる方法、有線を用いる方法がある。
送信局ではＨknが推定できれば、（式１１）及び（式１２）によって伝達関数が推定できる。推定した伝達関数に基づいて、受信局ｎに対しては例えば以下のように重みベクトルを決定することができる。
【００８１】
【数１８】
【００８２】
上述した手順によって、下り回線での伝達関数を指向性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ステップＳ１４で重みを制御することができる。
【００８３】
次に、図１１、図１２を参照して本発明の第５の実施の形態を説明する。
図１１は直線アレーアンテナの場合のアンテナ配置を示し、図１２は平面アレーアンテナの場合のアンテナ配置を示す。本実施の形態は、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の幾何学的配置が、複数のサブアレーアンテナの配置と相似の関係にある場合である。
【００８４】
図１１において、略凹形で囲ったアンテナによりサブアレーアンテナを構成する。図示のように各サブアレーアンテナにおいて、アンテナ配置は同一となっている。また、サブアレーアンテナ間の間隔はサブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔のｒ倍となっている。
【００８５】
尚、図示のように、各サブアレーアンテナで同じ位置にアンテナを配置する必要がある場合には、図３の合成器１８を用いて１つのアンテナ素子を複数のサブアレーアンテナで共用することも可能である。
【００８６】
以下、伝搬環境をフラットフェージング環境として、本実施の形態の動作について説明する。フラットフェージング環境がマルチパス環境であり、送信局でのマルチパス波の方向がほぼ同一方向となる場合は、アンテナ素子ｎと端末局の間の伝達関数は（８）式で表すことができる。直線アレーアンテナの場合は、θnはある基準位置からからの距離に比例し、例えば図１１でアンテナ素子１１１１の位置を基準とした場合には、以下のようになる。
【００８７】
【数１９】
【００８８】
受信局で推定するサブアレーアンテナｎと受信局との間の伝達関数Ｈn は式（１０）で与えられ、サブアレーアンテナの間隔がアンテナ間隔のｒ倍になっていることに注意すると、Ｈn とＨm との間には以下の関係が成り立つ。
【００８９】
【数２０】
【００９０】
例えばサブアレーアンテナ１を基準とし、θ1 ＝０とすればＨn ／Ｈ1 によりｒθn を推定することができる。さらに、推定したθn を用いれば（１２）式によりＡを推定することができる。
【００９１】
次に、図１２に示すような平面アレーアンテナの場合にも、伝達関数は（２３）式のように表すことができる。サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数も（１０）式のように表すことができる。さらに、サブアレーアンテナ１を基準とすることで、（２４）、（１２）式によって各アンテナ素子と受信局との間の伝達関数を推定することができる。
【００９２】
図１２において、各サブアレーアンテナの重心（鈍角の頂点等でも可）を結んだ三角形は、１１１１−１１１２−１１１３の作る三角形、１１２１−１１２２−１１２３の作る三角形、１１３１−１１３２２−１１３３の作る三角形と相似形である。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、送信局の適応アンテナ送信装置における各アンテナ素子と一つ又は複数の受信局のアンテナとの間の伝達関数を推定する場合に、他システムや同一周波数を利用する他チャンネルに干渉を与えることなく、また、スループットを低下させることなく、伝達関数の推定を行うことができる。これによって、送信局が１つ又は複数の受信局と通信する場合に、送信局と各受信局との間の環境変動に追従して各受信局に対する伝送品質を改善することができる。
【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送信局における適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。
【図２】 サブアレーアンテナを直線アレーアンテナにより構成した場合を示す構成図である。
【図３】 サブアレーアンテナ間で１つのアンテナ素子を共用する場合に用いられる合成器を示すブロック図である。
【図４】 サブアレーアンテナを平面アレーアンテナで構成した場合を示す構成図である。
【図５】 サブアレーアンテナからの送信信号のフレームを示す構成図である。
【図６】 アンテナ素子間の相互結合が影響する場合に各アンテナ素子の指向性を同一とするためのアレーアンテナ構成方法を示す構成図である。
【図７】 本発明による効果と従来方法の効果を示す特性図である。
【図８】 本発明の第２の実施の形態による送信局における適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。
【図９】 本発明の第３の実施の形態による送信局における適応アンテナ送信装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図１０】 本発明の第４の実施の形態による適応アンテナ送信装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図１１】 本発明の第５の実施の形態による適応アンテナ送信装置のサブアレーアンテナを直線アレーアンテナにより構成した例を示す構成図である。
【図１２】 本発明の第５の実施の形態による適応アンテナ送信装置のサブアレーアンテナを平面アレーアンテナにより構成した例を示す構成図である。
【図１３】 従来の適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１１１〜１１ＭＭ アンテナ素子
１２ 複数サブアレー用信号発生装置
１３１１〜１３ＭＭ 出力端子
１４１１〜１４ＭＭ 重み付け装置
１５１〜１５Ｍ 分岐装置
１６ 信号発生装置
１７ 指向性制御装置
１８ 合成器
１９１〜１９Ｍ サブアレーアンテナ指向性形成装置
２１１〜２１Ｋ 複数サブアレー信号発生装置
２２１１〜２２ＭＭ 合成器
２３１１１〜２３ＫＭＭ 出力端子
１〜Ｍ サブアレーアンテナ
【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送信装置及びそ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１３に下り通信の伝搬環境の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１３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５０１１〜５０１Ｎと、各アンテナ素子５０１１〜５０１Ｎに接続され入力信号に複素重みを課す重み付け装置５０２１〜５０２Ｎと、各重み付け装置５０２１〜５０２Ｎの重みを制御する重み制御装置５０３と、基準信号発生装置５０４と、受信時には各アンテナ素子５０１１〜５０４Ｎで受信され重み付け装置５０２１〜５０２Ｎ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５０２１〜５０２Ｎに分岐するための合成／分岐装置５０５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５０１１〜５０１Ｎで受信された信号をｘ1 〜ｘN とし、重み付け装置５０２１〜５０２Ｎ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を形成する重みの値は、
【０００５】
【数１】
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周波数が異なるＦＤＤ(Frequency DivisionDuplex) システムや、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 with Mobile 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。また、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され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えると、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異なる信号を送信し、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素子で、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。即ち、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２】
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３】
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。
【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異なる信号を送信するので、伝達関数推定時に指向性パターンを形成することができず、このため、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、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及びそ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は、それぞれＭ個のアンテナ素子が所定の位置関係に配置されたＭ個のサブアレーアンテナが前記所定の位置関係と同一の位置関係に配置され、同一の指向性パターンを有する複数のアンテナ素子と、受信局への送信信号に基づいて各サブアレーアンテナ毎に異なるＭ個の信号を生成する信号発生装置と、前記Ｍ個の異なる信号をそれぞれＭ個に分岐する分岐装置と、前記分岐された各信号にそれぞれ重み付けを行って対応する各アンテナ素子に与える複数の重み付け装置と、各重み付け装置に設定される重みを制御することにより各サブアレーアンテナの指向性パターンを同一に制御する指向性制御装置とを備えたことを特徴とするものである。
【００２３】
従って、本発明によれば、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の位置関係と、各サブアレーアンテナの位置関係とを同一にすると共に、サブアレーアンテナ毎に指向性パターンが同一となるように制御することによって、送信局の適応アンテナ送信装置における各アンテナ素子と受信局のアンテナとの間の伝達関数を推定する場合に、上記伝達関数を、各サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数で近似することができる。このため、各アンテナ素子から異なる信号を送信することなく、従って、他システムや同一周波数を利用する他チャンネルに干渉を与えることなく、また、スループットを低下させることなく、上記伝達関数の推定を行うことができる。
【００２４】
また、本発明による適応アンテナ送信装置の制御方法は、それぞれＭ個のアンテナ素子が所定の位置関係に配置されたＭ個のサブアレーアンテナが前記所定の位置関係と同様の位置関係に配置され、同一の指向性パターンを有する複数のアンテナ素子と、受信局への送信信号に基づいて各サブアレーアンテナ毎に異なるＭ個の信号を生成する信号発生装置と、前記Ｍ個の異なる信号をそれぞれＭ個に分岐する分岐装置と、前記分岐された各信号にそれぞれ重み付けを行って対応する各アンテナ素子に与える複数の重み付け装置と、各重み付け装置に設定される重みを制御することにより各サブアレーアンテナにおける各指向性パターンを同一にする指向性制御装置とを備え、送信局に設けられたた適応アンテナ送信装置の制御方法であって、前記各サブアレーアンテナから異なる信号系列を送信し、前記受信局において各サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数を推定し、上記推定結果を上り通信により前記送信局に送信し、送信局において、受信した推定結果に基づいてサブアレーアンテナで形成する指向性パターンを決定することを特徴とするものである。。
【００２５】
従って、本発明によれば、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の位置関係と、各サブアレーアンテナの位置関係とを同一にすると共に、サブアレーアンテナ毎に指向性パターンが同一となるように制御し、また、各サブアレーアンテナから異なる信号系列を送信し、受信局において、送信局の適応アンテナ送信装置における各アンテナ素子と受信局のアンテナとの間の伝達関数を推定し、推定結果を送信局にフィードバックし、送信局において、フィードバックされた推定結果に基づいて各サブアレーアンテナ毎の指向性パターンを決定することにより、各アンテナ素子と受信局との間の伝達関数を、各サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数で近似することができる。このため、各アンテナ素子から異なる信号を送信する必要がなく、従って、他システムや同一周波数を利用する他チャンネルに干渉を与えることなく、また、スループットを低下させることなく、伝達関数の推定を行うことができる。
【００２６】
【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の実施形態による送信局におけ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、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の位置関係と、複数のサブアレーアンテナの位置関係を同一とすることによって、各アンテナ素子と端末局（受信局）との間の伝達関数を各サブアレーアンテナと端末局との間の伝達関数で近似するようにしたものである。
【００２７】
図２はサブアレーアンテナを直線アレーアンテナによって構成した場合の構成例を示す。図３はサブアレーアンテナ間で１つのアンテナ素子を共用する場合に用いられる合成器を示す。図４はサブアレーアンテナを平面アレーアンテナで構成した場合の構成例を示す。図５はサブアレーアンテナからの送信信号のフレームを示す。図６はアンテナ素子間の相互結合が影響する場合に各アンテナ素子の指向性を同一とするためのアレーアンテナ構成方法を示す。図７は本実施の形態による効果と従来方法の効果を示している。
【００２８】
各図において、１１１１〜１１ＭＭはアンテナ素子、１２は複数サブアレー用信号発生装置、１３１１〜１３Ｋ１〜１３ＭＭは出力端子、１４１１〜１４ＭＭは重み付け装置、１５１〜１５Ｍは分岐装置、１６は信号発生装置、１７は指向性制御装置、１８（図３）は合成器、１９１〜１９Ｍはサブアレーアンテナ指向性形成装置である。尚、Ｍは１以上の整数である。
アンテナ素子１１１１〜１１ＭＭは、サブアレーアンテナ１〜Ｍを構成する。サブアレーアンテナ１は、アンテナ素子１１１１〜１１１Ｍで構成され、サブアレーアンテナ２は、アンテナ素子１１２１〜１１２Ｍで構成され、サブアレーアンテナＭは、アンテナ素子１１Ｍ１〜１１ＭＭで構成されている。
【００２９】
次に動作について説明する。
図１において、受信局（端末局）への送信信号は、まず信号発生装置１６に入力される。信号発生装置１６では、受信局が伝搬環境を推定する区間において、Ｍ個のサブアレーアンテナ毎に異なる信号が入力されるように、サブアレーアンテナ毎の入力信号を生成する。
送信局と受信局で予め定められた既知信号を利用できる場合には、図５に示すように受信局への送信信号に既知信号を付加した入力信号を発生し、既知信号を送信する区間では、各サブアレーアンテナからは異なる信号系列が送信されるようにする。
【００３０】
さらに、情報信号を伝送中にも伝搬環境を推定するには、例えば信号発生装置１６において送信信号のシリアルーパラレル変換を行えばよい。あるいは、入力信号をサブアレーアンテナの数に分岐した後、異なる畳み込み符号化をかける方法もある。また、入力信号に対して畳み込み符号等の符号化を行った後、シリアルパラレル変換する方法等もある。
【００３１】
信号発生装置１６の出力信号は、分岐装置１５１〜１５Ｍに入力され、それぞれサブアレーアンテナを構成するアンテナ数Ｍに分岐される。分岐装置１５１〜１５Ｍの出力信号は、重み付け装置１４１１〜１４ＭＭにより重み付けされた後、出力端子１３１１〜１３ＫＭから出力される。
【００３２】
ここで、重み付け装置１４１１〜１４ＭＭにより重み付けされる重みの値ｗ11、ｗMMは以下の関係を満たすように指向性制御装置１７により制御される。
ｗnm＝ｗnm , ……（７）
ただし、ｎはＭ個のサブアレーアンテナにおけるｎ番目のサブアレーアンテナを表し、１≦ｎ≦Ｍである。またｍはサブアレーアンテナを構成するＭ個のアンテナ素子のｍ番目を表し、１≦ｍ≦Ｍである。
上式のように各重みを制御することによって、各サブアレーアンテナで形成される各指向性パターンは同一になる。
【００３３】
複数サブアレー用信号発生装置１２の出力信号（重み付け装置１４１１〜１４ＭＭの各出力信号）は、複数のアンテナ素子１１１１〜１１ＭＭに与えられ、送信局から送信される。ここで、複数のアンテナ素子１１１１〜１１ＭＭは、各指向性パターンが同一のものを使用するものとする。
【００３４】
また、隣接するアンテナ素子の影響で指向性パターンに差が生じる場合には、無給電のアンテナを周辺に配置することで、指向性パターンを調整する。例えば、直線上にアンテナ素子を配置し、素子間隔を等間隔とした場合には、両端のアンテナの指向性を補正するために、図６に示すようにその両側に無給電の付加素子を配置すればよい。
【００３５】
図２に直線アレーアンテナの場合のアンテナ配置を示す。図中、略凹形で囲ったアンテナによりサブアレーアンテナが構成される。図示では、それぞれ３つのアンテナ素子により３つのサブアレーアンテナが構成されている。この場合、各１ブアレーアンテナにおいて、各アンテナ素子の配置（位置関係）は同一となっている。また、サブアレーアンテナ間の間隔は、サブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔と同一となっている。即ち、各サブアレーアンテナの配置（各凹形の位置関係）とサブアレーアンテナ内のアンテナ素子の配置は同一となっている。
【００３６】
尚、図２のように各サブアレーアンテナで同じ位置にアンテナ素子を配置する必要がある場合には、１つのアンテナ素子を複数のサブアレーアンテナで共用することも可能である。１つのアンテナ素子を２つのサブアレーアンテナで共用する場合は、図３に示すように合成器１８を用いて、異なる２つのサブアレーアンテナからの信号を合成した後、アンテナ素子に入力する。
【００３７】
以下、伝搬環境をフラットフェージング環境として、本実施の形態の動作について説明する。フラットフェージング環境がマルチパス環境であり、送信局でのマルチパス波の方向がほぼ同一方向となる場合は、アンテナ素子ｎと受信局との間の伝達関数ｈn は以下の式で表すことができる（荒木純道、鄭重植、ノル シャヒタ モハッマド シャー 阪口啓、高田潤一“Extension of array mode vector to take the angular spread into account”電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、20O0年９月）。
【００３８】
【数４】
ただし、Ａ、θn は共に複素数であり、直線アレーアンテナではθn はある基準位置からの距離に比例する値である。例えば、図２でアンテナ素子１１１１の位置を基準とした場合には、以下のようになる。
【００４０】
【数５】
ここで、ｈnmはサブアレーアンテナｎのアンテナ素子ｍと受信局との間の伝達関数を表すものとする。このとき、受信局で推定するサブアレーアンテナｎと受信局との間の伝達関数Ｈn は以下の式で表される。
【００４２】
【数６】
各サブアレーアンテナの配置と、サブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の配置が同じなので、Ｈn とＨm の間には以下の関係が成り立つ。
【００４４】
【数７】
例えば、サブアレーアンテナ１を基準とし、θ1 ＝０とすれば、Ｈn ／Ｈ1 によりθn を推定することができる。さらに、推定したθn を用いれば、以下の式によりＡを推定することができる。
【００４６】
【数８】
次に、図４に平面アレーアンテナの場合のアンテナ配置（位置関係）を示す。図中、三角形で囲ったアンテナ素子によりサブアレーアンテナが構成される。図示のように、それぞれ３つのアンテナ素子により３つのサブアレーアンテナを構成した場合、各サブアレーアンテナにおいて、アンテナ配置は同一となっている。また、サブアレーアンテナの配置はサブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の配置と同一となっている。
【００４８】
即ち、各サブアレーアンテナを構成する３つのアンテナ素子が形作る全ての三角形（１１１１−１１１２−１１１３の作る三角形、１１２１−１１２２−１１２３の作る三角形、１１３１−１１３２−１１３３の作る三角形）は合同である。
【００４９】
また、各サブアレーアンテナの配置は、サブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の配置と同様である。即ち、図４において、各サブアレーアンテナの重心（鈍角の頂点等でも可）を結んだ三角形は、１１１１−１１１２−１１１３の作る三角形、１１２１−１１２２−１１２３の作る三角形、１１３１−１１３２２−１１３３の作る三角形と合同である。
また、上記合同を相似とする場合が、後述する第５の実施の形態である。
【００５０】
尚、図示のように、各サブアレーアンテナで同じ位置にアンテナを配置する必要がある場合には、１つのアンテナ素子を複数のサブアレーアンテナで共用することも可能である。共用する場合には図３の合成器１８を用いて、異なるサブアレーアンテナからの信号を合成した後、アンテナ素子に入力する。
【００５１】
上記平面アレーアンテナの場合にも、伝達関数は（８）式のように表すことができる。サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数も（１０）式のように表すことができ、さらに、サブアレーアンテナ１を基準とすることで、（１１）、（１２）式により各アンテナ素子と受信局との間の伝達関数を推定することができる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、サブアレーアンテナと受信局との間で伝達関数を推定することによって、各アンテナ素子と受信局との間の伝達関数を推定することができる。
【００５２】
図６に本実施の形態による方法と図１３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。
図から分かるように、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による方法では、サブアレーアンテナ毎に指向性パターンを形成し、アンテナ素子数を増加させることにより干渉量を低減できることが分かる。
また、従来方法では、伝搬環境推定時に指向性パターンを形成することができないため、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。
【００５３】
図８は本発明の第２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、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の配置と、複数のサブアレーアンテナの配置とを同一とすることによって、各アンテナ素子と複数の受信局との間の伝達関数を各サブアレーアンテナと各受信局との間の伝達関数で近似することを可能としたものである。
【００５４】
図８において、１１１１〜１１ＭＭは複数のアンテナ素子、２１１〜２１Ｋは複数サブアレー信号発生装置で、図示せずも図１の重み付け装置と分岐装置とからなるサブアレーアンテナ指向性形成装置をそれぞれ内蔵している。２２１１〜２２ＭＭは合成器、２３１１１〜２３ＫＭＭは出力端子、１７は指向性制御装置である。Ｋは同一チャンネルで通信する受信局の数である。尚、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の配置と、各サブアレーアンテナの配置とは、図２、図４と同様であるとする。
【００５５】
次に動作について説明する。
各受信局１〜Ｋへの送信信号は、複数サブアレー信号発生装置２１１〜２１Ｋに入力されて各サブアレーアンテナ毎に異なる信号が生成される。複数サブアレー信号発生装置２１１〜２１Ｋの出力信号は、合成器２２１１〜２２ＭＭに入力されて、同一のアンテナ素子に入力する各受信局用の複数サブアレー信号発生装置２１１〜２１Ｋからの出力信号を合成し、各アンテナ素子１１１１〜１１ＭＭに与える。各複数サブアレー信号発生装置２１１〜２１Ｋ内部の重み付け装置に対して指向性制御装置１７により設定する重み値は、複数サブアレー信号発生装置毎に異なる値とし、各受信局に対して異なる指向性パターンを形成する。
【００５６】
本実施の形態によれば、図２の直線アレーアンテナ、図４の平面アレーアンテナのどちらの場合でも、複数の受信局で同一チャネルの同一時刻において各サブアレーアンテナと各受信局との間の伝達関数の推定が可能になる。
さらに、（１１）、（１２）式を用いることにより、各アンテナと各受信局との間の伝達関数の推定も可能となる。また、図７に示す効果は本実施の形態においても得られる。
【００５７】
図９は本発明の第３の実施の形態による動作を示すフローチャートである。本実施の形態は、第１の実施の形態で用いられる適応アンテナ送信装置の制御方法であり、受信局が１局の場合に、下り回線の指向性パターンの形成と伝搬環境推定を同時に行うと共に、伝搬環境推定結果を下り回線の指向性パターンの形成に反映させる場合を示している。
【００５８】
図９において、ステップＳ１により、サブアレーアンテナｎから送信される送信信号をSn(t) と表すと、受信局での受信信号は、
【００５９】
【数９】
と表すことができる。例えば、伝搬環境推定時刻における信号Sn(t) が既知である場合には、ステップＳ２により、受信信号とSn(t) の相関値を求めることにより、以下のようにサブアレーアンテナとの伝達関数を推定することができる。
【００６１】
【数１０】
ただし、各サブアレーアンテナから送信する送信信号の間には相関がないものを選び、以下の式を満たす必要がある。
【００６３】
【数１１】
また、送信局からの送信信号が未知である場合には、既知信号区間等で一度推定した伝達関数Ｈn を利用し、
【００６５】
【数１２】
が最小となるようにSm(t) を決定し、判定後に（１４）式により伝達関数を推定すればよい。また、既知信号区間の場合には、各アンテナの代わりに、前述したSpace-Time-Coding の符号化を各サブアレーアンテナに適用することで（６）式を用いて伝達関数を推定することができる。
【００６７】
以上のようにして受信局で推定されたサブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数Ｈn は、ステップＳ３により上り通信において送信局に伝送される。送信局への伝送は、無線を用いる方法、有線を用いる方法がある。
送信局ではＨn が推定できれば、（１１）式及び（１２）式によって伝達関数が推定できる。推定した伝達関数に基づいて、例えば以下のように重みベクトルを決定することができる。
【００６８】
【数１３】
上記（１７）式におけるσは任意の定数である。
上述した手順により、下り回線での伝達関数を指向性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してステップＳ４で重み制御を行うことができる。
【００７０】
図１０は本発明の第４の実施の形態による動作を示すを示すフローチャートである。本実施の形態は、第２の実施の形態で用いられる適応アンテナ送信装置の制御方法であり、受信局が複数局の場合に、下り同線の指向性形成と伝搬環境推定を同時に行うと共に、伝搬環境推定結果を下り回線の指向性形成に反映させる場合を示している。
【００７１】
図１０において、ステップＳ１１により、サブアレーアンテナｎから送信される受信局ｋ（１≦ｋ≦Ｋ）への送信信号をSkn(t)と表し、サブアレーアンテナｎの受信局ｋへの信号に対するアンテナｍの重みの値をｗknm と表すと、受信局ｋでの受信信号は、
【００７２】
【数１４】
と表すことができる。例えば、伝搬環境推定時刻における信号Skn(t)が既知である場合には、受信局ｋにおいて、受信信号とSkn(t)の相関値を求めることにより、ステップＳ１２により以下のようにサブアレーアンテナとの伝達関数を推定することができる。
【００７４】
【数１５】
ただし、各サブアレーアンテナから送信する送信信号の間には相関がないものを選び、以下の式をみたす必要がある。
【００７６】
【数１６】
また、送信局からの送信信号が未知である場合には、既知信号区間等で一度推定した伝達関数Ｈn を利用し、
【００７８】
【数１７】
が最小となるようにSk,m(t) を決定し、判定後に（式１４）によって伝達関数を推定すればよい。また、既知信号区間の場合には各アンテナの代わりに、前述のSpace-Time-Coding の符号化を各サブアレーアンテナに適用することで（６）式を用いて伝達関数を推定することができる。
【００８０】
以上のようにして受信局で推定されたサブアレーアンテナと受信局の間の伝達関数Ｈｋｎは、ステップＳ１３で上り通信において送信局に伝送される。送信局への伝送は、無線を用いる方法、有線を用いる方法がある。
送信局ではＨknが推定できれば、（式１１）及び（式１２）によって伝達関数が推定できる。推定した伝達関数に基づいて、受信局ｎに対しては例えば以下のように重みベクトルを決定することができる。
【００８１】
【数１８】
上述した手順によって、下り回線での伝達関数を指向性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ステップＳ１４で重みを制御することができる。
【００８３】
次に、図１１、図１２を参照して本発明の第５の実施の形態を説明する。
図１１は直線アレーアンテナの場合のアンテナ配置を示し、図１２は平面アレーアンテナの場合のアンテナ配置を示す。本実施の形態は、サブアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の幾何学的配置が、複数のサブアレーアンテナの配置と相似の関係にある場合である。
【００８４】
図１１において、略凹形で囲ったアンテナによりサブアレーアンテナを構成する。図示のように各サブアレーアンテナにおいて、アンテナ配置は同一となっている。また、サブアレーアンテナ間の間隔はサブアレーアンテナを構成するアンテナ素子の間隔のｒ倍となっている。
【００８５】
尚、図示のように、各サブアレーアンテナで同じ位置にアンテナを配置する必要がある場合には、図３の合成器１８を用いて１つのアンテナ素子を複数のサブアレーアンテナで共用することも可能である。
【００８６】
以下、伝搬環境をフラットフェージング環境として、本実施の形態の動作について説明する。フラットフェージング環境がマルチパス環境であり、送信局でのマルチパス波の方向がほぼ同一方向となる場合は、アンテナ素子ｎと端末局の間の伝達関数は（８）式で表すことができる。直線アレーアンテナの場合は、θnはある基準位置からからの距離に比例し、例えば図１１でアンテナ素子１１１１の位置を基準とした場合には、以下のようになる。
【００８７】
【数１９】
受信局で推定するサブアレーアンテナｎと受信局との間の伝達関数Ｈn は式（１０）で与えられ、サブアレーアンテナの間隔がアンテナ間隔のｒ倍になっていることに注意すると、Ｈn とＨm との間には以下の関係が成り立つ。
【００８９】
【数２０】
例えばサブアレーアンテナ１を基準とし、θ1 ＝０とすればＨn ／Ｈ1 によりｒθn を推定することができる。さらに、推定したθn を用いれば（１２）式によりＡを推定することができる。
【００９１】
次に、図１２に示すような平面アレーアンテナの場合にも、伝達関数は（２３）式のように表すことができる。サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数も（１０）式のように表すことができる。さらに、サブアレーアンテナ１を基準とすることで、（２４）、（１２）式によって各アンテナ素子と受信局との間の伝達関数を推定することができる。
【００９２】
図１２において、各サブアレーアンテナの重心（鈍角の頂点等でも可）を結んだ三角形は、１１１１−１１１２−１１１３の作る三角形、１１２１−１１２２−１１２３の作る三角形、１１３１−１１３２２−１１３３の作る三角形と相似形である。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、送信局の適応アンテナ送信装置における各アンテナ素子と一つ又は複数の受信局のアンテナとの間の伝達関数を推定する場合に、他システムや同一周波数を利用する他チャンネルに干渉を与えることなく、また、スループットを低下させることなく、伝達関数の推定を行うことができる。これによって、送信局が１つ又は複数の受信局と通信する場合に、送信局と各受信局との間の環境変動に追従して各受信局に対する伝送品質を改善することができる。
【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送信局における適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。
【図２】 サブアレーアンテナを直線アレーアンテナにより構成した場合を示す構成図である。
【図３】 サブアレーアンテナ間で１つのアンテナ素子を共用する場合に用いられる合成器を示すブロック図である。
【図４】 サブアレーアンテナを平面アレーアンテナで構成した場合を示す構成図である。
【図５】 サブアレーアンテナからの送信信号のフレームを示す構成図である。
【図６】 アンテナ素子間の相互結合が影響する場合に各アンテナ素子の指向性を同一とするためのアレーアンテナ構成方法を示す構成図である。
【図７】 本発明による効果と従来方法の効果を示す特性図である。
【図８】 本発明の第２の実施の形態による送信局における適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。
【図９】 本発明の第３の実施の形態による送信局における適応アンテナ送信装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図１０】 本発明の第４の実施の形態による適応アンテナ送信装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図１１】 本発明の第５の実施の形態による適応アンテナ送信装置のサブアレーアンテナを直線アレーアンテナにより構成した例を示す構成図である。
【図１２】 本発明の第５の実施の形態による適応アンテナ送信装置のサブアレーアンテナを平面アレーアンテナにより構成した例を示す構成図である。
【図１３】 従来の適応アンテナ送信装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１１１〜１１ＭＭ アンテナ素子
１２ 複数サブアレー用信号発生装置
１３１１〜１３ＭＭ 出力端子
１４１１〜１４ＭＭ 重み付け装置
１５１〜１５Ｍ 分岐装置
１６ 信号発生装置
１７ 指向性制御装置
１８ 合成器
１９１〜１９Ｍ サブアレーアンテナ指向性形成装置
２１１〜２１Ｋ 複数サブアレー信号発生装置
２２１１〜２２ＭＭ 合成器
２３１１１〜２３ＫＭＭ 出力端子
１〜Ｍ サブアレーアンテナ
Claims (7)
- それぞれＭ個のアンテナ素子が所定の位置関係に配置されたＭ個のサブアレーアンテナが前記所定の位置関係と同一の位置関係に配置され、同一の指向性パターンを有する複数のアンテナ素子と、
受信局への送信信号に基づいて各サブアレーアンテナ毎に異なるＭ個の信号を生成する信号発生装置と、
前記Ｍ個の異なる信号をそれぞれＭ個に分岐する分岐装置と、
前記分岐された各信号をそれぞれ重み付けして対応する各アンテナ素子に与える複数の重み付け装置と、
各重み付け装置に設定される重みを制御することにより各サブアレーアンテナで形成される指向性パターンを同一に制御する指向性制御装置とを備えたことを特徴とする適応アンテナ送信装置。 - 前記信号発生装置、分岐装置及び複数の重み付け装置から構成される部分をＫ個の受信局への異なる送信信号に対してＫ個設けると共に、各重み付け装置の出力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複数の合成装置を設け、前記指向性制御装置は、各受信局に対して異なる指向性パターンが形成されるように制御することを特徴とする請求項１記載の適応アンテナ送信装置。
- 前記サブアレーアンテナを構成するＭ個のアンテナ素子が形成する形とＭ個のサブアレーアンテナにおける各所定位置が形成する形とが互いに合同又は相似形であることを特徴とする請求項１又は２記載の適応アンテナ送信装置。
- 前記各サブアレーアンテナから異なる信号系列を送信し、この信号系列に基づいて前記受信局で推定された各サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数を前記受信局から受信し、受信した推定された伝達関数に基づいて各サブアレーアンテナで形成する指向性パターンを決定する指向性決定手段を設けたことを特徴とする請求項１又は３記載の適応アンテナ送信装置。
- 前記受信局が複数あり、前記指向性決定手段は、各受信局毎に指向性パターンを決定することを特徴とする請求項４記載の適応アンテナ送信装置。
- それぞれＭ個のアンテナ素子が所定の位置関係に配置されたＭ個のサブアレーアンテナが前記所定の位置関係と同一の位置関係に配置され、同一の指向性パターンを有する複数のアンテナ素子と、受信局への送信信号に基づいて各サブアレーアンテナ毎に異なるＭ個の信号を生成する信号発生装置と、前記Ｍ個の異なる信号をそれぞれＭ個に分岐する分岐装置と、前記分岐された各信号をそれぞれ重み付けして対応する各アンテナ素子に与える複数の重み付け装置と、各重み付け装置に設定される重みを制御することにより各サブアレーアンテナで形成される指向性パターンを同一に制御する指向性制御装置とを備え、送信局に設けられた適応アンテナ送信装置の制御方法であって、
前記各サブアレーアンテナから異なる信号系列を送信し、
前記受信局において各サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数を推定し、
上記推定結果を上り通信により前記送信局に送信し、
送信局において、受信した推定結果に基づいてサブアレーアンテナで形成する指向性パターン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。 - 前記信号発生装置、分岐装置及び複数の重み付け装置から構成される部分をＫ個の受信局への異なる送信信号に対してＫ個設けると共に、各重み付け装置の出力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複数の合成装置を設け、前記指向性制御装置は、各受信局に対して異なる指向性パターンが形成されるように制御するようになされ、
前記各サブアレーアンテナから異なる信号系列を送信し、
前記各受信局では各サブアレーアンテナと受信局との間の伝達関数を推定し、
前記推定結果を上り通信により前記送信局に送信し、
送信局において、受信した推定結果に基づいて各信号発生装置毎のサブアレーアンテナで形成する指向性を決定することを特徴とする請求項６記載の適応アンテナ送信装置の制御方法。
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