JP3932456B2 - 移動通信システムの受信信号補正装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動通信システムに関するもので、詳しくは、スマートアンテナシステムの受信信号補正装置及びその方法に関するものである。

一般に、移動通信システムの性能及び容量は、セル間又はセル内で発生する同一チャネルの干渉信号、経路損失（ｐａｔｈ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ）、多重経路フェーディング（ｍｕｌｔｉｐａｔｈ ｆａｄｉｎｇ）、信号の遅延、ドップラー拡散（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）及び陰影現象（ｓｈａｄｏｗ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ）などの無線電波チャネル特性により制限される。

従って、現在の移動通信システムは、このような性能及び容量制限を克服する試みの中で、電力制御、チャネルコーディング、レイク受信（ＲＡＫＥ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ）、ダイバーシティアンテナ、セルのセクター化、周波数分割、帯域拡散などの補償技術を含む複数の技術が適用されている。しかし、移動通信サービスが徐々に多様化されるにつれて、そのサービスに対する需要も大きく増加してきているため、従来の技術だけでは、それら増大する高性能及び高容量化の要求を全て満足させることが困難になってきている。

又、２１世紀の移動通信システムは、従来のセルラーフォン及び個人携帯通信と比較すると、高品質及び高容量が要求されるマルチメディア通信サービスとなるため、有線通話の音声品質やそれ以上の高品質音声サービスが要求されるはずである。更に、将来、多様なサービス信号が混在する混合セル環境では、送信出力及び伝送帯域幅が相対的に大きい高速データによる強い干渉信号の影響を減衰させて、ホットスポットや陰影地域（ｓｈａｄｏｗ ａｒｅａ）と呼ばれるところにもサービスを円滑に提供させなければならない。このような干渉信号及びチャネル特性による性能劣化現象を克服するための試みとして用いられるスマートアンテナ技術は、商用化開発価値が最も高く、有望な核心技術として評価されている。

スマートアンテナシステムとは、従来の二つのダイバーシティアンテナを使用して多重経路信号を結合する場合とは異なって、複数のアンテナセンサを所定の間隔に配置したアレイアンテナと、基底帯域（ベースバンド）の先進的高性能デジタル信号処理とを結合した技術であって、移動通信システムに空間処理能力を加えることで設計の自由度を増加させて、全体のシステム性能を向上させ得るものである。即ち、全方向に放射ビームを形成する代わりに、スマートアンテナシステムでは、該当する加入者のみに指向性ビームを放射することで、セクター内で動作（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ）している全加入者に対して信号間干渉効果を最小化し、通信品質及びシステムチャネル容量を向上させる技術である（例えば、特許文献１参照）。

このような従来のスマートアンテナシステムにより通信する場合、受信部は、受信された信号に基づいて、信号処理に必要なウェイトベクトル（ｗｅｉｇｈｔ ｖｅｃｔｅｒ）を計算するか、又は、チャネルの特定媒介変数であるＤＯＡ（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）などの媒介変数を抽出する。この場合、各アンテナの受信部の特性がそれぞれ異なると、信号処理の正確性が低下するため、各受信部の特性が同じになるように維持する補正過程が必要となる。

一般に、従来の補正過程には、基準経路を利用する方法、及び局部に発生された基準信号（局部発生基準信号）を利用する方法の２種類がある。
これらの方法の中、基準経路を利用する方法は、受信された信号を基準経路及び補正されるべきアレイに同時に通過させ、その後、基準経路を通過した信号を基準として最小平均自乗（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ：ＬＭＳ）アルゴリズム又は正規化された最小平均自乗（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ＬＭＳ：ＮＬＭＳ）アルゴリズムを利用して、アレイを補正するための値をそれぞれ求める。

このとき、最小平均自乗は、適応的フィルタリングの代表的なアルゴリズムであって、Ｗｉｄｒｏｗにより開発された適応フィルタ係数アルゴリズムと類似しているが、Ｗｉｄｒｏｗのフィルタとは異なり最小平均自乗では、平均自乗誤差（Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ ｅｒｒｏｒｓ：ＭＳＥ）関数が２次元的要素を有しないため、アルゴリズム構成の単純化及びデータ処理の演算速度面で優れた性能を示している。

また、正規化された最小平均自乗は、固定された収斂定数（Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）値によるシステム性能低下を克服するために、各適応フィルタ係数の迅速な収斂に影響を与える収斂定数値を調整することでシステム内の最適フィルタを設計し適応フィルタの収斂速度及び安定性に影響を及ぼす、収斂定数の制御方式による複数の適応フィルタアルゴリズムであって、反復的に計算される入力信号のパワーにより収斂定数がサンプル毎に適切な値に変わる方式の代表的なアルゴリズムである。

しかしながら、上記各アルゴリズム及び基準経路を利用する方法により、各アレイの出力を基準無線周波数の出力と同じになるように維持させるが、この方法は、基準信号自体が不安定であるという問題点がある。

他の方法として、局部に発生された信号を基準信号に利用する方法を、図３の（Ａ）、（Ｂ）に基づいて説明する。
図３の（Ａ）、（Ｂ）は、局部に発生された信号（局部発生信号）を基準信号に利用する補正過程を示した図で、図３（Ａ）に示すように、基準信号を発生させるために、アレイの外部に高周波（ＲＦ）送信端１０を設け、ＲＦ送信端１０から発生された出力は分配器２０に入力され、分配器（１：Ｎ分配、Ｎ＝アンテナ数）２０を通過しながら複数の信号に分けられ、分けられた信号はアレイ３０にそれぞれ入力される。

このとき、理想的な分配器から分けられた各信号の大きさ及び位相は同一である。よって、分配器のエラーを無視した場合は、全て同一の信号がアレイに入力されるため、アレイから発生した誤差（エラー）を検出して補正することが非常に容易となる。
しかし、実際に分配器２０から出力された信号は、その大きさ及び位相がそれぞれ異なる。従って、ＲＦ送信端１０及び分配器２０を経てアレイ３０に入力された後にアレイ３０から出力される信号を測定する場合、その出力信号に分配器２０の固有エラー及びアレイ３０のエラーが混合されているため、アレイ３０のエラーを補正することができない。

上記アレイ３０のエラーを適切に補正するためには、分配器２０のエラーを補正すべきであるが、このために、例えば、図３の（Ｂ）に示すように、アレイ３０の出力を測定した後、再びケーブルを変えてアレイ３０の出力を測定するという２回の測定過程を行わねばならない。このような２回の測定過程により分配器の固有エラーを検出し、該エラーを補正した後、受信部のエラーを補正することで、アレイの特性が同一に維持される。

特開平０７−０７９４７６号公報

しかしながら、上述したように従来のスマートアンテナシステムの補正過程において、基準経路を利用する補正方法は、基準信号自体が不安定で正確に補正することが困難であるという問題点があった。
又、局部に発生された基準信号を利用する補正方法は、分配器を通過する時に発生するエラーを補正するために、測定過程を２回行わねばならず煩雑であるという問題点があった。

そこで、本発明は上記従来の移動通信システムの受信信号補正装置及びその方法における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、アレイアンテナにより送受信を行う移動通信システムにおいて、各アンテナのそれぞれ異なるＲＦ経路の特性を補正することで、移動通信システム全体の性能を向上させることのできる移動通信システムの受信信号補正装置及びその方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明による移動通信システムの受信信号補正装置は、複数のアンテナを具備したアレイアンテナシステムにおいて、局部に発生された信号の位相を補正することにより同一位相を有する複数の基準信号を出力する基準信号発生装置と、前記複数の基準信号により複数のアンテナ経路を通して無線信号を受信し、各アレイアンテナ経路の歪を補正するアレイアンテナ部とを含んで構成され、
前記基準信号発生装置は、前記ＲＦ信号を前記アレイアンテナの個数に対応する個数の信号に分割する分配器と、前記分割された信号の位相情報を検出する位相検出部と、前記位相情報に基づき前記分割された信号の位相を一定（ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ）に調整する移相器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）とから構成され、前記位相検出部と前記移相器は前記アンテナ経路からの信号を使うことなく、前記アレイアンテナ部とは独立に構成されることを特徴とする。

前記基準信号発生装置は、基準信号を局部に発生させる局部基準信号発生部と、前記基準信号をＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号に変換するＲＦ変換部とを更に含んで構成されることを特徴とする。
前記基準信号発生装置は、共役複素数算出器を更に含んで構成されることを特徴とする。
前記アレイアンテナ部は、無線信号を受信するための複数個で構成されたアンテナと、前記基準信号発生装置から出力した基準信号及び前記アンテナで受信した無線信号を受けるフロントエンド部と、ベースバンド信号をＲＦ信号に変換して前記フロントエンド部に送るＲＦ送信部と、前記フロントエンド部を経て入力されたＲＦ信号をベースバンド信号に変換させるＲＦ受信部と、前記ベースバンド信号を受けて補正を行うベースバンドプロセッサ部とから構成されることを特徴とする。

又、上記目的を達成するためになされた本発明による移動通信システムの受信信号補正方法は、複数のアンテナを使用するアレイアンテナシステムにおいて、局部に発生された信号の位相を補正して同一位相を有する複数の基準信号をそれぞれ出力する段階と、前記複数の基準信号により複数のアンテナ経路を通して無線信号を受信し、ベースバンド信号に変換する段階と、前記変換されたベースバンド信号を補正する段階とを有し、
前記局部に発生された信号の位相を補正して同一位相を有する複数の基準信号を出力する段階は、前記変換されたＲＦ信号を分割する段階と、分割された前記ＲＦ信号の位相情報を検出する段階と、前記位相情報を検出した後に位相シフトを行い、同一位相を有する複数の基準信号を出力する段階とを有し、前記位相情報を検出する段階と、前記位相シフトを行い、同一位相を有する複数の基準信号を出力する段階は、前記アンテナ経路からの信号を使うことなく、前記アレイアンテナ部とは独立に遂行される段階であることを特徴とする。

前記局部に発生された信号の位相を補正して同一位相を有する複数の基準信号を出力する段階は、基準信号を局部に発生させる段階と、前記発生された基準信号を実際のＲＦ信号に変換する段階とを更に有することを特徴とする。
前記局部に発生された信号の位相を補正して同一位相を有する複数の基準信号を出力する段階は、位相情報によって共役複素数を算出する段階を更に有することを特徴とする。
前記ベースバンド信号を補正する段階は、一つのアンテナ経路を通して受信された無線信号を基準として設定する段階と、残りのアンテナ経路を通して受信された無線信号と前記基準として設定した無線信号に対する補正ベクトルとを乗算する段階とを有することを特徴とする。

本発明に係る移動通信システムの受信信号補正装置及びその方法によれば、スマートアンテナの補正過程において局部に発生された基準信号を使用しながら、エラーを補正する煩雑な測定過程を省くことで、分配器を通過した信号のエラーを補正して同一の基準信号を発生させ、アレイアンテナの各受信部を簡単に補正し得るという効果がある。

次に、本発明に係る移動通信システムの受信信号補正装置及びその方法を実施するための最良の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る移動通信システムの受信信号補正装置を示したブロック図であり、図に示すように、本発明に係る移動通信システムの受信信号補正装置は、左側に配置されている、局部の信号の位相を補正して同一位相の基準信号を出力する基準信号発生装置１００と、右側に配置されている、各アレイアンテナ経路の信号歪を補正するアレイアンテナ部１１０とにより構成される。

基準信号発生装置１００は、補正するための基準信号を発生する局部基準信号発生部１０１と、基準信号をＲＦ信号に変換するＲＦ変換部１０２と、ＲＦ信号をアンテナの個数に対応する個数の信号に分割する分配器１０３と、分割された信号の位相情報を検出する位相検出部１０４と、検出された位相情報を基に、分割された信号の位相を一定（ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ）に調整する移相器１０５とから構成される。また、このように構成された基準信号発生装置１００は、検出された位相情報によって信号の共役複素数を求める共役複素数算出器１０６を更に含んでいる。

ここで、局部基準信号発生部１０１は、スマートアンテナシステムを補正するための基準信号を発生し、ＲＦ変換部１０２は、局部基準信号発生部１０１から発生された基底帯域信号を実際のＲＦ信号に変える周波数変換を行う。
又、分配器１０３は、ＲＦ変換部１０２から出力されたＲＦ信号をアンテナの個数に対応する個数の信号に分割するが、このとき、Ｎ個のアンテナを使用するシステムの場合、１：Ｎ分配器によりＲＦ信号をＮ個に分割する。
又、位相検出部１０４は、分配器１０３から出力された各ＲＦ信号の位相を検出し、移相器１０５は、位相検出部１０４で検出された位相情報によってＲＦ信号の位相が同一になるように調節する。

又、共役複素数算出器１０６は、位相検出部１０４により信号の位相を把握した後、その位相を調整するために信号の共役複素数を求めるが、これは選択的であって、共役複素数を求めずに分配器１０３から出力される各信号の位相を同じにし得る場合は、共役複素数算出器１０６を必要としない。このとき、共役複素数とは、例えば、信号が１＋２ｉである場合、その信号の共役複素数は（１＋２ｉ）^＊＝１−２ｉである。

又、移相器１０５は、信号の位相を一定に調整する部分であって、上述したように位相検出部１０４によって測定した位相情報により位相を一定に調整するか、又は、共役複素数算出器１０６から求めた共役複素数を乗算して位相を一定に調整する。何れの方法によっても、移相器１０５は、分配器１０３を通過しながら発生した位相誤差を補正することで、同一位相を有する基準信号をフロントエンド部１１２に入力する。

又、本発明に係る基準信号発生装置から発生した各ＲＦ信号は、同一位相を有する信号であって、各アンテナ１１１に連結されたフロントエンド部１１２に入力され、ＲＦ受信部（ＲＦ Ｒｘ）１１４を経てベースバンドプロセッサ部１１５に入力される。

従来例では、分配器を通過した各基準信号が相互に異なるため、２回の測定過程を経たが、本発明では、同一の基準信号がアレイアンテナ部１１０に入力されるため、簡単に補正することができる。このとき、アレイアンテナ部１１０は、図１の右側に示すように、アンテナ１１１、フロントエンド部１１２、ＲＦ送信部（ＲＦ Ｔｘ）１１３、ＲＦ受信部（ＲＦ Ｒｘ）１１４及びベースバンドプロセッサ部１１５をそれぞれ含んで構成された一つのブロックである。
また、ＲＦ受信部（ＲＦ Ｒｘ）１１４は、アレイアンテナ部のフロントエンド部１１２を経て入力された基準信号をベースバンド信号に変換し、ベースバンドプロセッサ部１１５は、このベースバンド信号を受けて受信特性が同じになるように補正を行う。

図２は、本発明に係る移動通信システムの受信信号補正方法を示したフローチャートである。図に示すように、本発明に係る移動通信システムの受信信号補正方法においては、まず、基地局から受信を開始すると、受信信号を補正するための基準信号が基準信号発生器から発生され（ステップＳ１０）、次に、発生された基準信号は、ＲＦ変換部に入力された後、ＲＦ信号に変換されて出力される（ステップＳ２０）。次に、出力されたＲＦ信号は分配器に入力され、ＲＦ信号はアンテナの個数に対応する個数のＲＦ信号に分割される（ステップＳ３０）。

このとき、分配器から出力される各信号の大きさ及び位相がそれぞれ異なるというエラーが発生するが、このエラーを補正するために、分配器から分割されて出力された各ＲＦ信号の位相情報を検出し（ステップＳ４０）、この情報を利用して位相を一定に調整する位相シフトを行う（ステップＳ５０）。このとき、位相シフトを行う前に、位相情報から共役複素数を求める過程（ステップＳ４５）を次のように更に行うこともできる。即ち、各ＲＦ信号と位相情報から共役複素数を求める過程で求めた共役複素数とを乗算することで、信号の位相が同じになるように調整する位相シフトを行う。

次に、このように位相シフトまで終了した信号は、フロントエンド部を経てＲＦ受信機に入力された後、ベースバンド信号に変換されるが（ステップＳ６０）、位相シフトを経た各信号は全て同一であるため、理論的には、これを受けて変換されたベースバンド信号も全て同一であるべきであるが、各ＲＦ受信機の受信特性がそれぞれ異なるので、実際に出力された各ベースバンド信号もそれぞれ異なる。よって、受信特性を同一にするための補正が行われる。このように各アンテナの出力を補正するために、補正ベクトルとベースバンド信号とを乗算して、各アンテナの出力を一つの基準アンテナの出力に合せて全て同一にする（ステップＳ７０）。

又、補正ベクトルを乗算して補正する方法は、図２に示した２個のＲＦ受信部（ＲＦ Ｒｘ）を４個であると仮定すると、ベースバンド信号も、ａ、ｂ、ｃ、ｄのように４個になる。補正をするために、特定の一つのアンテナを基準アンテナに指定し、例えば、ａを基準アンテナに指定し、対応するベースバンド信号をａにした場合、各アンテナの出力を補正するための補正ベクトルは［１，ａ／ｂ，ａ／ｃ，ａ／ｄ］になる。この補正ベクトルを元信号に乗算する数式は下記のように表示される。

このように補正ベクトルとベースバンド信号とを乗算して各アンテナの出力を基準アンテナの出力（ａ）と同一にすることで、アレイアンテナの受信部（ＲＦ Ｒｘ）の受信特性が同じになるように維持することができる。

尚、本発明は、上述の実施例に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

本発明に係る移動通信システムの受信信号補正装置を示したブロック図である。 本発明に係る移動通信システムの受信信号補正方法を示したフローチャートである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、従来の局部に発生された信号を基準信号に利用する補正方法を示したブロック図である。

符号の説明

１００ 基準信号発生装置
１０１ 局部基準信号発生部
１０２ ＲＦ変換部
１０３ 分配器
１０４ 位相検出部
１０５ 移相器
１０６ 共役複素数算出器
１１０ アレイアンテナ部
１１１ アンテナ
１１２ フロントエンド部
１１３ ＲＦ送信部
１１４ ＲＦ受信部
１１５ ベースバンドプロセッサ部

Claims (14)

1. 複数のアンテナを具備したアレイアンテナシステムにおいて、
   局部に（ｌｏｃａｌｌｙ）発生された信号の位相を補正して同一位相を有する複数の基準信号を出力する基準信号発生装置と、
   前記複数の基準信号により複数のアンテナ経路を通して無線信号を受信し、各アレイアンテナ経路の歪を補正するアレイアンテナ部とを含んで構成され、
   前記基準信号発生装置は、ＲＦ信号を前記アレイアンテナの個数に対応する個数の信号に分割する分配器と、
   前記分割された信号の位相情報を検出する位相検出部と、
   前記位相情報に基づき前記分割された信号の位相を一定（ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ）に調整する移相器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）とから構成され、
   前記位相検出部と前記移相器は前記アンテナ経路からの信号を使うことなく、前記アレイアンテナ部とは独立に構成されることを特徴とする移動通信システムの受信信号補正装置。
2. 前記基準信号発生装置は、基準信号を局部に発生させる局部基準信号発生部と、
   前記基準信号をＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号に変換するＲＦ変換部とを更に含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の移動通信システムの受信信号補正装置。
3. 前記基準信号発生装置は、共役複素数算出器を更に含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の移動通信システムの受信信号補正装置。
4. 前記共役複素数算出器は、分割された各ＲＦ信号の共役複素数を求めることを特徴とする請求項３記載の移動通信システムの受信信号補正装置。
5. 前記アレイアンテナ部は、無線信号を受信するための複数個で構成されたアンテナと、
   前記基準信号発生装置から出力した基準信号及び前記アンテナで受信した無線信号を受けるフロントエンド（ｆｒｏｎｔ−ｅｎｄ）部と、
   ベースバンド信号をＲＦ信号に変換して前記フロントエンド部に送るＲＦ送信部と、
   前記フロントエンド部を経て入力されたＲＦ信号をベースバンド信号に変換させるＲＦ受信部と、
   前記ベースバンド信号を受けて補正を行うベースバンドプロセッサ部とから構成されることを特徴とする請求項１記載の移動通信システムの受信信号補正装置。
6. 前記ベースバンドプロセッサ部は、一つのアンテナ経路を通して受信された無線信号を基準として設定し、残りのアンテナ経路を通して受信された無線信号と前記基準として設定した無線信号の補正ベクトルとを乗算することで補正を行うことを特徴とする請求項５記載の移動通信システムの受信信号補正装置。
7. 前記アレイアンテナシステムは、スマートアンテナシステムを含むことを特徴とする請求項１記載の移動通信システムの受信信号補正装置。
8. 複数のアンテナを使用するアレイアンテナシステムにおいて、
   局部に発生された信号の位相を補正して同一位相を有する複数の基準信号をそれぞれ出力する段階と、
   前記複数の基準信号により複数のアンテナ経路を通して無線信号を受信し、ベースバンド信号に変換する段階と、
   前記変換されたベースバンド信号を補正する段階とを有し、
   前記局部に発生された信号の位相を補正して同一位相を有する複数の基準信号を出力する段階は、変換された前記ＲＦ信号を分割する段階と、
   分割された前記ＲＦ信号の位相情報を検出する段階と、
   前記位相情報を検出した後に位相シフトを行い、同一位相を有する複数の基準信号を出力する段階とを有し、
   前記位相情報を検出する段階と、前記位相シフトを行い、同一位相を有する複数の基準信号を出力する段階は、アンテナ経路からの信号を使うことなく、前記アレイアンテナ部とは独立に遂行される段階であることを特徴とする移動通信システムの受信信号補正方法。
9. 前記局部に発生された信号の位相を補正して同一位相を有する複数の基準信号を出力する段階は、基準信号を局部に発生させる段階と、
   前記発生された基準信号を実際のＲＦ信号に変換する段階とを更に有することを特徴とする請求項８記載の移動通信システムの受信信号補正方法。
10. 前記局部に発生された信号の位相を補正して同一位相を有する複数の基準信号を出力する段階は、前記分割された各ＲＦ信号の位相情報を検出する段階において検出した位相情報によって共役複素数を算出する段階を更に有することを特徴とする請求項８記載の移動通信システムの受信信号補正方法。
11. 前記ＲＦ信号を分割する段階は、ＲＦ信号をアンテナの個数に対応する個数の信号に分割することを特徴とする請求項８記載の移動通信システムの受信信号補正方法。
12. 前記位相シフトを行う段階は、位相情報又は共役複素数を利用して信号の位相を一定（ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ）に調整することを特徴とする請求項８記載の移動通信システムの受信信号補正方法。
13. 前記共役複素数を利用する方法は、分割された各ＲＦ信号とそれら信号の共役複素数とを乗算することを特徴とする請求項１２記載の移動通信システムの受信信号補正方法。
14. 前記ベースバンド信号を補正する段階は、一つのアンテナ経路を通して受信された無線信号を基準として設定する段階と、
    残りのアンテナ経路を通して受信された無線信号と前記基準として設定した無線信号に対する補正ベクトルとを乗算する段階とを有することを特徴とする請求項８記載の移動通信システムの受信信号補正方法。

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