JP3878475B2

JP3878475B2 - 無線受信装置

Info

Publication number: JP3878475B2
Application number: JP2001391570A
Authority: JP
Inventors: 嘉孝原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: JP2003198448A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信システムにおける複数アンテナを用いた受信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信では、受信局において希望信号と同時に多くの干渉信号が同時に到達する。このような状況の中で、希望信号を高品質に取り出すための一手法としてアダプティブアレーアンテナがよく知られている。アダプティブアレーアンテナは、複数アンテナで信号を受信し、アンテナ間合成比率（ウエイト）を適切に調整することによって、干渉信号レベルを低減しながら、希望信号を効率的に合成する方式である。
このようなアダプティブアレーにおけるウエイト演算アルゴリズムについて現在までに多くのアルゴリズムが提案されている。中でも、ＳＭＩ（Sample Matrix Inversion）アルゴリズムは高速にウエイト算出を行なうことができるアルゴリズムとして知られており、現在までに幅広く用いられている。
【０００３】
図８〜図１０を用いてウエイト演算アルゴリズム（ＳＭＩアルゴリズム）の技術内容について説明を行なう。
図８は受信局無線受信装置の概要を説明する最も基本的な図であり、１は複数のアンテナ（ここでは４個のアンテナとしている。）、２は前記各アンテナ１で受信された信号を用いてウエイトを算出するウエイト計算部、３は前記各アンテナ１からの受信信号にウエイト計算部２から供給されるウエイトをそれぞれ乗算する複数のウエイト乗算部、４は前記各ウエイト乗算部３からの出力を加算して合成する信号合成部である。
【０００４】
この図に示すように、受信局では各アンテナ１において信号ｘ₁(q)，ｘ₂(q)，ｘ₃(q)，ｘ₄(q)を受信する。ここで、ｘ₁(q)，ｘ₂(q)，ｘ₃(q)，ｘ₄(q)は前記複数のアンテナ１の各アンテナにおけるｑ番目のサンプル値を表す複素信号である。また、ｑ番目のサンプル値に対応する受信信号ベクトルＸ(q)を次式で表す。
【数１】

ここで、Ｔは転置を表す。
【０００５】
図９に示すように異なるＫ個の信号ｋ（＝1,...,K）が到来し、Ｍ個のアンテナを用いて信号受信する環境を検討対象とする。ここで、ｋ＝１は希望信号，ｋ＝２,...,Ｋは干渉信号を表す。信号ｋの変調成分ｓ_k(t)はサンプル時間Ｔ_s単位で値が変化し、Ｅ[|ｓ_k(t)|²]＝１（Ｅ[・]はアンサンブル平均）を満たす。
以下では、干渉信号の存在下で新規に希望信号が到来する環境を扱う。すなわち、ｓ₁(t)はｔ＞０で定義され、ｓ_k(t)（ｋ＝2,...,K）は全てのｔに対して定義される。図１０に希望信号及び干渉信号の存在する時間の関係を示す。この図に示すように、干渉信号は希望信号到来以前から存在している。
【０００６】
受信局では、全ての信号を複数アンテナ１を用いて同時受信した後、ベースバンド帯域において時間間隔Ｔ_sでサンプリングする。ベースバンド信号におけるアンテナｍ（ｍ＝1,...,M）でのｑ番目の受信サンプルをｘ_m(q)、信号ｋのアンテナｍでの複素伝搬係数をａ_km、信号ｋの伝搬ベクトルをＡ_k＝[ａ_k1,...,ａ_kM]^Tとすると、受信信号ベクトルＸ(q)＝[ｘ₁(q),...,ｘ_M(q)]^Tは次式で表される。
【数２】

ここで、ｎ_m(q)はアンテナｍにおける雑音成分、ｎ(q)は雑音ベクトルを表す。転置共役を^H、雑音電力をＰ_n（＞０）、単位行列をＩとするとＥ[ｎ(q)ｎ(q)^H]＝Ｐ_nＩを満たす。なお、式（１）では便宜上ｓ_k(q)＝０（ｑ≦０）としている。
伝搬ベクトルＡ_kはフェージングにより変動するベクトルであり本来時変である。しかし、ここでは送受信局の移動は低速であり、フェージング変化はアダプティブアレーアンテナのウエイト制御時間に比べて十分遅いものとし、Ａ_kを固定値として扱う。
【０００７】
アレー信号処理ではウエイトｗ＝[ｗ₁,...,ｗ_M]^Tに基づいてアンテナ間の信号合成を行い、信号ｋの合成出力ｚ(q)＝ｗ^HＸ(q)を生成する。従来のＭＭＳＥ合成法では、ウエイト決定にあたり、受信信号ｗ^HＸ(q)と参照信号ｒ(q)の平均２乗誤差<|ｅ(q)|²>を、
【数３】

と定義し、<|ｅ(q)|²>を最小とするウエイトｗを求める。
このウエイトは次式で決定される。
【数４】

ここで、Φは相関行列、ｖは信号１に対する相関ベクトル、Ｎはウエイト演算用既知シンボル（サンプル）数、*は複素共役を表す。なお、参照信号ｒ(q)は信号１の既知信号を用いてｒ(q)＝ｓ₁(q)とする。前記図１０にウエイト演算に用いる希望信号の既知シンボルの位置を斜線で示している。
式（２）のウエイト演算法を最小２乗誤差（ＭＭＳＥ：Minimum mean square error）に基づく演算と呼び、通常、ＭＭＳＥ合成法と呼ばれる。
【０００８】
このように、従来の初期ウエイト決定法では信号１に含まれる既知Ｎシンボルを用いて式２の演算を行いウエイト収束を行う。しかし、ウエイト収束には多くの既知シンボル数Ｎが必要とされる場合もある。通常、アレー信号処理では受信ＳＩＮＲを最適状態から３[dB]以内の劣化に抑えるためには、アンテナ数の約２倍の既知サンプル数が必要とされる。また、１[dB]以内の劣化に抑えるためにはアンテナ数の約５倍の既知サンプル数が必要とされる。従って、アンテナ数の増加とともに収束に必要な既知サンプル数も増加する。特に、大規模なアレー信号処理（例えば、Ｍ＝１６，３２）を行う場合にはウエイト収束に多くの既知サンプル数が必要とされ、フレーム内におけるデータ信号の伝送効率の劣化を招きかねない。また、特定の既知シンボル数のもとではウエイト収束を十分行えない状況も発生する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
アダプティブアレーでは、アンテナ数の増加とともに通信容量を大きく増加できる。そのため、将来の高速伝送用無線通信では８アンテナ、１６アンテナといった多くのアンテナを利用する環境も十分想定される。
多くのアンテナの利用は容量改善には効果的であるが、同時に新たな問題点も生じる。その１つは、アダプティブアレーのウエイト収束に多くの既知シンボルが必要となる点であり、必要な既知シンボル数はアンテナ数に応じて大きくなる。具体的には、最も高速なウエイト収束を有するＳＭＩアルゴリズムでは、最適状態から１dB劣化した受信ＳＩＮＲを得るためにアンテナ数の約５倍の既知シンボル数が必要となる。すなわち、８アンテナの場合には４０シンボル、１６アンテナの場合には８０シンボル程度が必要となる。このようにアンテナ数の増加とともに、多くの既知シンボルが必要とされるが、実際の移動通信では送信可能な既知シンボル数にも限界がある。従って、アンテナ数の増加とともにウエイト収束が大きな問題となり、限られた既知シンボル数でウエイト収束可能な手法が求められている。
【００１０】
そこで本発明は、少ない既知シンボル数で高精度なウエイト演算を行うことが可能な無線受信装置を提供することを目的としている。
また、ウエイト演算に利用する既知シンボル数を少なくすることができるとともに、フェージング環境においてもウエイトを逐次更新することができ、フェージング変動に追従することが可能な無線受信装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の無線受信装置は、複数アンテナを用いて信号受信し、アンテナ間で信号合成を行なう無線受信装置であって、前記信号合成のための合成ウエイトを求めるにあたって、希望信号成分の存在しない時間と希望信号成分の存在する時間における前記複数アンテナからの受信信号成分を用いて相関行列演算を行い、希望信号成分の存在する時間における前記複数アンテナからの受信信号を用いて相関ベクトル演算を行い、前記相関行列及び前記相関ベクトルを用いてウエイト演算を行うようになされているものである。
また、本発明の他の無線受信装置は、複数アンテナを用いて信号受信し、アンテナ間で信号合成を行なう無線受信装置であって、一度演算されたウエイトを用いて前記複数のアンテナ間の信号の合成を行い、その合成信号のデータ判定を行った後、該判定値を参照信号に加えて再びウエイト演算を行うようになされているものである。
さらに、本発明のさらに他の無線受信装置は、複数アンテナを用いて信号受信し、アンテナ間で信号合成を行う無線受信装置であって、前記信号合成のための合成ウエイトを求めるにあたって、希望信号成分の存在しない時間と希望信号成分の存在する時間における前記複数アンテナからの受信信号成分を用いて演算した相関行列と、希望信号成分の存在する時間における前記複数アンテナからの受信信号を用いて演算した相関ベクトルとを用いて求めた合成ウエイトを用いて前記信号合成を行い、その合成信号のデータ判定を行った後、該判定値を用いて再びウエイト演算を行うようになされているものである。
さらにまた、本発明のさらに他の無線受信装置は、前記判定値を用いて得られたウエイトを用いて逐次的にデータ判定を行い、その結果を用いてウエイト演算を行ってウエイトを逐次更新するようになされているものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の無線受信装置の概要を説明する最も基本的な図である。ここで、１は複数のアンテナ、２は各アンテナ１の受信信号に基づいてウエイトを計算するウエイト計算部、３は前記各アンテナ１からの受信信号に前記ウエイト計算部２から供給されるウエイトをそれぞれ乗算するウエイト乗算部、４は前記各ウエイト乗算部３からの出力を合成する信号合成部を表す。
図２は本発明の利用環境を表す時間的な送信信号の図である。この図に示すように、信号１〜Ｋまでが存在する。このうち、信号１は希望信号であり、信号２〜Ｋは干渉信号である。また、図２中の１０は希望信号１の存在しない時間帯でのサンプルを表し、１１は希望信号１の存在する時間帯でのサンプルを表す。
【００１３】
以下では、図１〜図４を用いて本発明の第１の実施の形態について説明を行う。
本発明のこの実施の形態は、希望信号１の存在しない区間のサンプル（ｑ≦０）を利用しつつウエイト演算を行う。
この実施の形態では、評価関数である平均２乗誤差<|ｅ(q)|²>を次式で定義する。
【数５】

ここで、Ｎ_Aは信号１の存在しない区間でのサンプル数、Ｎ_Bは信号１の存在する区間でのサンプル数である。
上式において参照信号ｒ(q)は次式で表される。
【数６】

このように、本発明のこの実施の形態においては、希望信号の存在する区間１≦ｑ≦Ｎ_Bのみならず、希望信号の存在しない区間１−Ｎ_A≦ｑ≦０を含めて最小２乗誤差を定義している。すなわち、区間１−Ｎ_A≦ｑ≦０において、希望信号が存在しないという条件を有効に活用したウエイト演算法である。
【００１４】
そして、この実施の形態の手法では、上記式（３）の平均２乗誤差<|ｅ(q)|²>を最小とするウエイトｗを求める。ウエイトｗは次式で決定される。
【数７】

ここで、相関ベクトルｖの演算は実質上１≦ｑ≦Ｎ_Bで行われ、前述した従来手法と同一となるが、相関行列Φの演算は−Ｎ_A＋１≦ｑ≦Ｎ_Bの範囲で演算が行われる。従って、相関行列演算には信号１の到来以前の干渉信号も含まれる。なお、信号Ｘ(q)（ｑ≦０）はあらかじめ受信局内のメモリに格納しておく。希望信号の到来が検知されると、メモリに保存されたＸ(q)（ｑ≦０）をウエイト演算に利用する。
なお、希望信号１の存在しない区間のサンプル数Ｎ_Aを増加することにより、少ない信号１の既知サンプル数Ｎ_Bのもとで、より精度の良いウエイト決定を実現することができる。
【００１５】
このような本発明の第１の実施の形態による効果をシミュレーションにより評価した結果を一例として示す。
ここで、受信局では、図３に示す半波長アンテナ間隔を持つ円形１６アンテナアレーを用いて信号受信をする。信号ｋ（ｋ＝１,...,Ｋ）は角度θk方向から電力Ｐ_kで受信局に到来するものとし、到来方向θkはランダム性を持たせるためθk＝２πξ_k／１００，ξ_k＝２９ξ_k-1mod 101，ξ₁＝１００によって決定する。
信号ｋの伝搬ベクトルＡkは次式の形式で表される。
【数８】

ここで、ω_km（ｍ＝2,...,M）はアンテナ１を基準としたアンテナｍでの信号ｋの位相差であり、信号到来方向とアンテナ配置から決定される。シミュレーションでは、各信号電力を、
【数９】

と定める。
【００１６】
シミュレーションにおいて、各信号はサンプル時間間隔Ｔ_sで値が変化するＱＰＳＫ変調信号とする。また、希望信号ｋ＝１の１≦ｑ≦Ｎを既知サンプルとし、他の部分は全てデータシンボルとする。シミュレーションでは信号のシンボルを３０００回ランダムに設定し、ウエイト演算を行う。求めたウエイトｗに対して次式に従い平均ＳＩＮＲΓを計算する。
【数１０】

ここで、＜・＞はシミュレーションごとの平均値を表す。
【００１７】
図４にＭ＝Ｋ＝１６のもとで本発明の第１の実施の形態の場合及び従来方式を用いた場合のウエイト収束特性を示す。ここで、縦軸は平均ＳＩＮＲと最適ＳＩＮＲの比Γ／Γ₀である。
この図から明らかなように、本発明の第１の実施の形態の場合には、信号１の存在しない区間の受信サンプルをウエイト演算に用いることにより、従来方式よりもウエイト収束特性は改善している。最適状態からＳＩＮＲが３[dB]劣化した状態を実現するために必要な既知サンプル数は、従来方式が約８０サンプルであるのに対し、Ｎ_A＝２５６の本発明の第１の実施の形態の場合は９サンプルである。
このように、この実施の形態によれば、高精度なウエイトを少ない既知シンボルで計算することができる。
【００１８】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。この実施の形態で用いられている少ない既知シンボル数のもとでウエイト収束を行う手法は、データ判定帰還型回路を用いる方式であり、以下、「判定帰還型ＭＭＳＥ合成法」とよぶ。この判定帰還型ＭＭＳＥ合成法では硬判定した受信シンボルを利用して、再度ウエイト演算を行う。
【００１９】
図５に、判定帰還型ＭＭＳＥ合成法を用いた実施の形態における無線受信装置の概要構成を示す。この図において、１は複数のアンテナ、２はウエイト計算部、３は複数のウエイト乗算部、４は信号合成部、５は前記信号合成部４から出力される受信信号の硬判定を行う判定部である。
判定帰還型ＭＭＳＥ合成法では、まず、これまでに得られたウエイトｗを用いて一度アレー信号処理を行う。信号合成部４から受信信号ｚ(q)＝ｗ^HＸ(q)が得られると、判定部５によりその硬判定を行い、得られた硬判定値を参照信号として用い、再びウエイト演算を行う。受信信号ｚ(q)は変調方式に応じて、最も距離の近い信号点として硬判定される。ただし、硬判定はデータシンボルに対してのみ行われる。
なお、この判定帰還型ＭＭＳＥ合成法において用いる初期ウエイトは前述した従来手法あるいは前記第１の実施の形態のいずれにより演算したものであってもよいが、ここでは、前記第１の実施の形態で示したウエイト演算法を用いるものとして説明する。
【００２０】
この場合、硬判定値をｚ’(q)とすると、参照信号を次式で定義する。
【数１１】

ここで、Ｎ_Cは判定されたデータシンボル数である。図６に希望信号の存在しないサンプル（Ｎ_A個）、既知シンボル（Ｎ_B個）、データシンボル（Ｎ_C個）の関係を示す。
【００２１】
そして、次式に基づき再度ウエイト演算を行う。
【数１２】

これにより、最終的な初期ウエイトが決定される。すなわち、この実施の形態においては、データ判定値を用いる再度のウエイト演算において、初期ウエイトを算出したときの区間１−Ｎ_A≦ｑ≦Ｎ_Bに加え、区間Ｎ_B＋１≦ｑ≦Ｎ_B＋Ｎ_Cのサンプルも用いて演算を行っている。これにより、演算精度をより向上させることができる。
なお、初期ウエイトを従来方式で求めた場合には、区間１≦ｑ≦Ｎ_B＋Ｎ_Cのサンプルを用いることとなるが、前述した従来手法の場合よりも、精度のよいウエイトを求めることができる。
【００２２】
図７にＭ＝Ｋ＝１６，Ｎ_C＝６４のもとで本発明の第１の実施の形態と上記判定帰還型ＭＭＳＥ合成法を併用した実施の形態及び従来方式を用いた場合のウエイト収束特性を示す。この実施の形態のように判定帰還型ＭＭＳＥ合成法との併用により、第１の実施の形態の場合よりもウエイト収束特性はさらに改善している。このように、第１の実施の形態で説明した手法と判定帰還型ＭＭＳＥ合成法を併用することにより、さらに高精度なウエイトを少ない既知シンボルのもとで得ることができる。
【００２３】
なお、上述した実施の形態では、判定帰還型ＭＭＳＥ合成法を１回のみ利用したが、複数回繰返し用いることも可能である。すなわち、生成されたウエイトをもとにデータシンボルを判定し、該判定値を参照信号として用いてウエイト演算を行い、これを繰返す。これにより、より高精度なウエイト演算を行うことが可能となる。
【００２４】
なお、以上においては、初期ウエイトのみを扱っていたが、フェージング環境では通信時間とともに伝搬路が変化する。そこで、判定データシンボルを参照信号に用いて逐次的に判定帰還型ＭＭＳＥ合成法のウエイト更新を行うことによりフェージング変動に追従させることが可能となる。すなわち、時間の経過と共に判定するデータを逐次的に変更し、後続のデータに関する判定値を用いて参照信号を生成する逐次更新型ウエイト演算を行う。これによりフェージングへの追従が可能となる。さらに、これを前述した第１の実施の形態で示した手法と組み合わせることにより、利用する既知シンボル数を少なくすることができる。
例えば、第１の実施の形態で示した手法で区間１−Ｎ_A≦ｑ≦Ｎ_Bのサンプルを用いて初期ウエイトを算出し、そのウエイトを用いて区間Ｎ_B＋１≦ｑ≦Ｎ_B＋Ｎ_Cのデータシンボルを硬判定してその判定値を含む参照信号を用いてウエイト演算を実行し、該ウエイトを用いて後続する区間Ｎ_B＋Ｎ_C＋１≦ｑ≦Ｎ_B＋Ｎ_C＋Ｎ_Dのデータシンボルを硬判定し、その判定値を含む参照信号を用いてウエイト演算を実行し、・・・というように、逐次得られたウエイトを用いて信号合成し、後続するデータシンボルの硬判定結果を参照信号として逐次ウエイトを更新していく。
これにより、少ない既知シンボルを用いてフェージング変動に追従するウエイト更新を行うことが可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の無線受信装置によれば、従来方式よりも高精度な初期ウエイトの演算を行なうことが可能となり、従来方式よりも少ない既知信号シンボル数によって初期ウエイト演算を行なうことも可能となる。
また、請求項２記載の無線受信装置によれば、データ判定値を参照シンボルとして用いることにより、従来方式よりも少ない既知信号シンボル数によって初期ウエイト演算を行なうことが可能となる。
さらに、請求項３記載の無線受信装置によれば、請求項１記載の無線受信装置の場合よりもさらに高精度なウエイト演算を行うことが可能となる。
さらにまた、請求項４記載の無線受信装置によれば、ウエイト演算に利用する既知シンボルを少なくし、なおかつフェージング環境においてもウエイトを逐次更新することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無線受信装置におけるアダプティブアレー信号処理部の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における希望信号と干渉信号の到来する時間を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の性能評価を行うための受信機アンテナ配置を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態及び従来方式を用いてウエイト演算を行った場合のウエイト収束特性を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態におけるアダプティブアレー信号処理部の構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態における希望信号と干渉信号の到来する時間を表す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態及び従来方式を用いてウエイト演算を行った場合のウエイト収束特性を示す図である。
【図８】従来方式のアダプティブアレーにおける信号処理部の構成を示す図である。
【図９】受信信号モデルを表す図である。
【図１０】従来方式における希望信号と干渉信号の到来する時間を表す図である。
【符号の説明】
１複数アンテナ
２ウエイト計算部
３ウエイト乗算部
４信号合成部
５判定部

Claims

複数アンテナを用いて信号受信し、アンテナ間で信号合成を行なう無線受信装置であって、前記信号合成のための合成ウエイトを求めるにあたって、希望信号成分の存在しない時間と希望信号成分の存在する時間における前記複数アンテナからの受信信号成分を用いて相関行列演算を行い、希望信号成分の存在する時間における前記複数アンテナからの受信信号を用いて相関ベクトル演算を行い、前記相関行列及び前記相関ベクトルを用いてウエイト演算を行うことを特徴とする無線受信装置。
複数アンテナを用いて信号受信し、アンテナ間で信号合成を行なう無線受信装置であって、一度演算されたウエイトを用いて前記複数のアンテナ間の信号の合成を行い、その合成信号のデータ判定を行った後、該判定値を参照信号に加えて再びウエイト演算を行うことを特徴とする無線受信装置。
複数アンテナを用いて信号受信し、アンテナ間で信号合成を行う無線受信装置であって、前記信号合成のための合成ウエイトを求めるにあたって、希望信号成分の存在しない時間と希望信号成分の存在する時間における前記複数アンテナからの受信信号成分を用いて演算した相関行列と、希望信号成分の存在する時間における前記複数アンテナからの受信信号を用いて演算した相関ベクトルとを用いて求めた合成ウエイトを用いて前記信号合成を行い、その合成信号のデータ判定を行った後、該判定値を用いて再びウエイト演算を行うことを特徴とする無線受信装置。
前記判定値を用いて得られたウエイトを用いて逐次的にデータ判定を行い、その結果を用いてウエイト演算を行ってウエイトを逐次更新することを特徴とする請求項２あるいは３に記載の無線受信装置。