JP4087549B2 - アレーアンテナ無線通信装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレーアンテナを用いた無線通信装置のベースバンド信号処理の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代移動通信システムとして、ＤＳ−ＣＤＭＡ技術を用いたデジタルセルラ無線通信システムの開発が進められている。ＣＤＭＡ方式は、符号によりチャネルを割り当てて同時に通信を行う方式であるが、同時に通話を行っている他チャネルからの信号が干渉となり、結果として同時通話可能なチャネル数（チャネル容量）が制限される。このため干渉抑制技術の適用がチャネル容量増加に有効である。
【０００３】
アダプティブアレーアンテナは、希望ユーザへのビーム形成（アレーアンテナからの電波の送信強度が方向によって異なることから、最も強度の大きい方向にビームが形成されているという。同様に電波を受信する場合も、最も電波の受信感度の良い方向をビームが形成されているという）、大きな干渉源となるユーザへのヌル点形成（アレーアンテナから送信される電波の強度が０になる方向をヌル点という。同様に、電波を受信する際にも受信感度が０である方向をヌル点という）を環境に応じて適応的に行う技術であり、チャネル容量増加を可能とする技術である。すなわち、希望ユーザの方向にビームを形成し、大きな干渉源となるユーザへヌル点を向けることによって希望ユーザからは感度よく電波を受信し、大きな干渉源からは電波を全く受信しないようにすることができる。このようにして干渉量を減らすことにより、チャネル容量を増やすことが出来る。
【０００４】
図１０は、従来のＤＳ−ＣＤＭＡアレーアンテナ受信装置ベースバンド信号処理部の構成を示す。
アダプティブアレー受信部１０は、マルチパス信号をＲＡＫＥ受信するために複数のフィンガ１１から構成され、各フィンガ１１は逆拡散部１２、ビームフォーマ１３、同期検波部１４を有し、各パスの受信信号処理を行う。各フィンガ１１で復調された出力信号を同相合成することでＲＡＫＥ受信を行っている。また、受信環境に応じて適応的にビーム形成を行うための適応アルゴリズムを用いたウェイト更新部１５を有する。このウェイト更新部１５のウェイト更新アルゴリズムは公知であるので、詳細な説明は省略する。この公知のウェイト更新アルゴリズムによれば、ビームを所望の方向に向ける他に、ヌル点を干渉電力の大きい他のユーザの方向に向けて、干渉量を削減することが出来る。ビームフォーマ１３は、各アンテナからの信号に複素数で表されるウェイトを乗算することにより、受信信号あるいは送信信号の相対位相を調整して、アレーアンテナから送信される電波の送信／受信強度の強い方向（ビームが形成される方向）を変化させるものである。ウェイト更新部１５は、ビームフォーマ１３が形成するビームの方向を最適化するために、ビームフォーマ１３が使用するウェイトの値を更新してビームフォーマ１３に与えるものである。
【０００５】
サーチャ１６でのパス検出には、１つのアンテナの受信信号が用いられている。サーチャ１６での処理は、マッチドフィルタ（ＭＦ）を用いて相関処理（逆拡散処理に相当）を行い、得られた複素相関値をフェージングによる位相回転が少ない期間で同相加算することでＳＮＲ（信号対雑音比）の改善を図った後、電力に変換して電力加算することでフェージングによるパスレベル変動を平均化した遅延プロファイルを取得する。この平均化は、異なる時間に測定されたパス検出窓を重ね合わせて換算するものである。このときのパス検出窓幅はＭＦのタップ長となる。取得した遅延プロファイルを基に、レベルの大きなパスをサーチすることでパスタイミング検出を行っている。
【０００６】
サーチャ１６で検出した複数のパスタイミング情報は、アダプティブアレー受信部１０に送られ、各フィンガ１１の逆拡散タイミングとして用いられる。フィンガ１１で逆拡散信号が得られた後、ウェイト更新部１５は動作を開始する。従って、ウェイトの収束にはフィンガ割当て後、しばらく時間が必要となる。また、ビーム形成で得られた利得分の送信電力を下げようとすると、ＳＮＲ低下により安定したパス検出が行われなくなるおそれがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＳ−ＣＤＭＡを用いた移動通信システムでは、多元接続を行っている他ユーザからの干渉量により通信品質（デジタル通信時の平均ビット誤り率）が劣化し、所要品質を満たす多元接続ユーザ数としてシステム容量が決定される。特に移動通信環境のＣＤＭＡ通信方式では、１つの基地局と通信を行う多数のユーザとの基地局間距離の違いにより、システム容量が低下してしまう。この問題を解決するため、基地局において全ユーザの受信電力が等しくなるように送信電力を制御することで、システム容量の増加が可能であり、ＣＤＭＡ移動通信において送信電力制御は必要不可欠な技術である。
【０００８】
さて、送信電力制御を行うＤＳ−ＣＤＭＡシステムにアレーアンテナを適用すると、ビームフォーミング及びＲＡＫＥ合成後のＳＩＲ（信号対干渉電力比）を一定とするように送信電力制御が行われる。このため複数のアンテナを使用するアレーアンテナにおいては、アンテナ１素子当たりの電波の受信強度が小さくなり、従って、アンテナ１素子当たりのＳＮＲ（信号対雑音比）は低下し、アンテナ１素子のみを用いたパスサーチでは、パス検出精度が劣化してしまう。すなわち、従来技術のように、複数のアンテナの内、１つのアンテナからの信号を使用してパスサーチを行っていたのでは、アンテナが一本の場合よりＳＮＲが悪い状態で処理を行わなくてはならない。パス検出精度が低下し、複数のパスを受信できなくなると、ビームフォーミング及びＲＡＫＥ合成による効果が少なくなるため、送信電力を増加することになってしまい、チャネル容量の増加を目的にアレーアンテナを適用したにもかかわらず、適用効果が上がらないという結果になってしまう。従って、アレーアンテナ適用時にアンテナ１素子当たりのＳＮＲ低下が起こっても、十分な精度でのパス検出が可能な方式は、受信信号処理部の安定動作のために望ましく、アレーアンテナ適用時に確実なシステム容量増加のためには不可欠である。
【０００９】
また、アレーアンテナ受信信号処理部に用いられているＬＭＳ（最小二乗誤差）法などのウェイト更新アルゴリズムでは、ビーム形成までに数十フレーム程度の時間が必要であり、送られてくるデータ伝送の継続時間がそれ以下の場合にはアレーアンテナ化の効果は望めない。またデータをダウンロードするような場合、端末から基地局に対する上り信号の送信時間は短く、下り信号の送信時間は長くなることが予想される。その際、下りビームの形成が十分でないため、大きな電力で送信を行うことになり、システム容量の観点から望ましくない。従って、端末から短時間の送信信号に対しても高速にビーム形成可能な方法が望まれる。
【００１０】
本発明の課題は、アレーアンテナを用いた受信装置のベースバンド処理部における高速ビーム形成のための回路構成、及び、これを実現するためのサーチャの回路構成を提供することにより、アレーアンテナ適用時のパス検出特性の改善、パケット伝送の増加及びデータのダウンロードなどにおいて、高速ビーム形成を行うことで、システムの安定動作を実現し、システム容量改善を図ることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のアレーアンテナ無線通信装置は、複数のアンテナからなるアレーアンテナと、該複数のアンテナの一部あるいは全てから信号を受信し、受信信号のパスタイミングを検出するサーチャ手段と、該サーチャ手段で得られたパスタイミングに基づいて、アンテナから受信した信号の逆拡散を行う信号処理手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、従来アレーアンテナの１本のみを用いてパスタイミングを検出していたのに比べ、送信電力制御による１本のアンテナ当たりのＳＮＲの低下によるパスタイミングの検出精度の劣化を防止することが出来る。
【００１３】
また、アレーアンテナのそれぞれのアンテナからの信号の相関値をとり、更に、アンテナ間の相関値の相関を取ることにより、ユーザからの電波の到来方向を推定することが出来るとともに、この情報を基にしてビームフォーマに設定するウェイトの初期値を与えることによって、ビーム形成を迅速に行うことが出来る。このように、迅速にビーム形成を行うことによって、ユーザからの受信信号の品質やユーザに送る送信信号の品質を高品質に保つことが出来る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態の原理的説明図である。
本発明の実施形態のサーチャ２０には、複数のアンテナからなるアレーアンテナ２１の全ての信号が入力される。
【００１５】
サーチャ２０では、アンテナ毎に逆拡散のための相関処理を行った後、アンテナ合成パスタイミング検出部２２と並列に設けられたアンテナ間相関推定部２３に入力される。アンテナ合成パスタイミング検出部２２では、各アンテナの相関処理後の複素相関値信号を電力に変換後、合成することで、低ＳＮＲでも高精度なパスタイミング検出を実現する。また、アンテナ間相関推定部２３では、相関処理後の各アンテナの複素相関値信号を用いてアンテナ間相関値を推定する。
【００１６】
アレーアンテナ受信信号処理部２４とサーチャ２０間のインターフェースは、パスタイミング信号に加えてアンテナ間相関値に相当する信号を設けておく。
アダプティブアレー受信部２４では、サーチャ２０から得たアンテナ間相関推定値をウェイト更新部の初期値として設定する。
【００１７】
図２は、本発明のアレーアンテナ受信機構成の一実施形態を示す図である。
アレーアンテナ２１の各アンテナで受信された無線周波数の信号は、周波数変換部でベースバンド信号に変換された後、Ａ／Ｄ変換器により離散・量子化されデジタルベースバンド信号に変換される（不図示）。
【００１８】
デジタルベースバンド信号は、ビームフォーミング・復調処理を行うアダプティブアレー受信部２４とパスサーチを行うサーチャ２０に入力される。
本発明の実施形態のサーチャ２０では、アレーアンテナ２１の複数アンテナの信号が入力される。アレーアンテナ２１の信号は、アンテナ毎に逆拡散処理のための相関処理を受けて複素相関値信号となって、アンテナ合成パスタイミング検出部２２とアンテナ間相関推定部２３に入力される。
【００１９】
アンテナ合成パスタイミング検出部２２では、各アンテナからの複素相関値信号を電力変換器２５で電力に変換した後、合成器２６で合成する。これは、パスの存在する時刻ではアンテナ間でほぼ同レベルの大きな信号が得られているが、パスの存在しない時刻では雑音であるためランダムでレベルの小さな信号を合成することになり、信号成分がアンテナ数倍されるのに対し、雑音はアンテナ数倍されることはなく平均化され、従って、合成後の信号に対する雑音の分布は、合成前に対して抑圧されたものとなる。
【００２０】
アンテナ間の複素相関値を合成した信号は、平均化部２７において、所定時間分の電力値を積算して時間平均を行い、各パスのフェージングによる変動の平均化処理を行って遅延プロファイルを遅延プロファイル部２８に格納する。そして、この遅延プロファイルを用いて、パス検出部２９においてパス検出を行うことでパス検出特性を改善することができる。
【００２１】
アンテナ間相関推定部２３では、アレーアンテナ間の相関値をアンテナ間相関部３０において推定し、平均化部３１において時間平均を行うことによりフェージングによるパスのレベル変動を補償し、推定精度向上を行っている。平均化処理の出力では、遅延プロファイルの各タイミングに対応するアンテナ間相関値が得られている。
【００２２】
アダプティブアレー受信部２４では、検出したパスタイミングの信号を、対応するタイミングのアンテナ間相関値から得られるウェイトを用いて、ビームフォーミングした信号により復調処理を行う。
【００２３】
図３は、本発明の実施形態のより詳細な構成例を示した図である。図４は、アレーアンテナの構成とアンテナ間相関について説明する図である。
本実施形態のサーチャ２０のアンテナ間合成パスタイミング検出部２２の構成は、図２と同様であるため説明は省略する。
【００２４】
本実施形態において、アンテナ構成は図４に示すような等間隔直線アレーアンテナであるとする。このとき隣り合うアンテナ間の位相差は全てωである。従って、サーチャ２０のアンテナ間相関推定部２３では、アンテナ間相関部３０で、複素の相関処理出力（複素の相関値、すなわち、Ｉ信号とＱ信号のそれぞれについて求められた相関値を１組の複素数としてあつかったもの）を隣り合うアンテナ間で乗算（ただし基準側信号は複素共役とする）を行った後、合成する。このような演算を行うことにより、等間隔直線アレー構成では、全ての乗算結果の位相部分がωとなるべきであるため、合成により雑音成分は平均化され、正しいアンテナ間相関値を示す複素値は加算されるため雑音抑圧効果が得られる。
【００２５】
また、平均化部３１において時間平均を行うことにより、フェージングによるレベル変動を含めた平均化効果によりアンテナ間相関の推定精度向上を図る。平均化部３１の時間平均は、パス検出窓に対し繰り返し測定した結果を加算するもので、すなわち、複数の異なる時間に検出されたアンテナ相関値が含まれるパス検出窓を重ね合わせて加算するものである。なお、この平均化部３１は、連続通信のように長時間にわたって信号が送られて来るような場合には、時間平均を行うが、パケット通信のように、データがバースト的に送信される場合には、時間平均を行う時間的余裕がないので、平均化処理は行わない。このようにして得られたアンテナ間相関推定値は、パス毎に平均電力が異なる信号を処理するため大きなダイナミックスレンジが必要となる。しかしながら、本アンテナ間相関推定部２３で推定した信号は、ビームフォーマのウェイトとして用いることを主たる目的としている。すなわち、各ウェイトの振幅が１／（アンテナ素子数）であれば、ビームフォーマの出力で得られる信号はアレーアンテナ２１を用いない（一本のアンテナを用いる）ときと等しいダイナミックレンジとなる。また、直線アレーアンテナであるため、隣り合うアンテナでのウェイトの位相項の差は等しい。すなわち、推定したアンテナ間相関値から隣り合うアンテナ間の位相差が分かれば、全てのアンテナウェイトを求めることができる。従って、本実施形態では、アンテナ間相関推定部２３では、位相項抽出部３３においてアンテナ間相関値から位相項抽出処理を行っている。具体的な位相項抽出処理については、特願２０００−１８１２９２号明細書を参照されたい。
【００２６】
パス検出部２９では、遅延プロファイル部２８に格納されている遅延プロファイルをもとにパス検出閾値を上回ったパスタイミングの検出を行う。検出パス情報転送部３５では、検出されたパスのタイミングパルスを送出する。その際、最大パスのアンテナ間相関推定値の位相項も転送する。アダプティブアレー受信部２４では、受信したパルスタイミングで逆拡散を開始する。また、同時に受信したアンテナ間相関の位相項情報（例えば、図４の位相回転量ω）は、演算またはテーブルを用いてウェイト情報に変換し（例えば、ωを用いてｅｘｐ（ｊｎω）を求める。ここで、ｊは虚数単位、ｎはアンテナ番号を示す整数）、当該フィンガのビーム形成のためのウェイトとして用いる。なお、ここでは、アダプティブアレー受信部２４にサーチャ２０から送るアンテナ間相関推定値として、位相回転量を送信し、ウェイト変換部４２においてウェイトに変換しているが、ウェイトそのものをサーチャ２０で算出して、ウェイト更新部４１に直接入力するようにしても良い。
【００２７】
このように、本実施形態においては、ビームフォーマの初期ウェイトとして、サーチャ２０で求められた、アンテナ間相関推定値を用いているので、所望のユーザのいると思われる概略の方向にビーム形成をいきなり行うことが出来る。その後、ウェイト更新部４１が公知のアルゴリズムを用いて、ウェイトを更新し、正しい方向にビーム形成を行うので、従来のように、全く所望のユーザのいる方向と関係ないウェイト初期値からウェイトを更新するより、より速く、ウェイト更新の収束を達成することが出来る。
【００２８】
図５は、図３の実施形態の構成の変形例を示す図である。
なお、図５において、図３と同じ構成要素には同じ参照符号を付する。
図５の実施形態においては、各フィンガ４０のそれぞれにウェイト更新部４１及びウェイト変換部４２が設けられている。図３の実施形態の場合には、全てのフィンガに共通にウェイト更新部とウェイト変換部が設けられていたため、同一チャネルについては、異なるパスからの信号でも同じウェイトを使って、１つのビームの形成をおこなっていた。しかし、実際には、パスが異なるとアレーアンテナ２１に入力する電波の入力方向が異なると考えられるので、本実施形態では、各パスに対応する各フィンガ４０にそれぞれ異なったウェイトを設定するようにしている。このようにすることによって、同一チャネルであってもそれぞれのパスに対して、独立にビーム形成を行い、所望のユーザからの電波を感度よく受信し、その他のユーザからの電波の受信感度を低く、あるいは、０とすることにより受信感度をより向上することが出来る。
【００２９】
サーチャ２０においては、アレーアンテナ２１からそれぞれ送られてきた信号を基に、それぞれのアンテナに対し相関処理を行い、複素の相関値を生成する。複素の相関値は、一方は、アンテナ合成パスタイミング検出部２２に入力され、他方はアンテナ間相関推定部に入力される。そして、前述したように、アンテナ合成パスタイミング検出部２２では、複素の相関値の電力値を取り、各アンテナに対応する相関値の電力値を加算し、平均化して、遅延プロファイルを求める。そして、求められた遅延プロファイルを基に、所定の閾値以上の相関電力値を求めて、パス検出を行う。この結果は、検出パス情報転送部３５に入力される。
【００３０】
また、アンテナ間相関推定部２３では、各アンテナからの複素の相関値間で、相関を取るために、あるアンテナの相関値と、隣の、基準となるアンテナの相関値の複素共役とを乗算し、アンテナ間相関値を得る。これを加算して、平均化し、アンテナ間相関値として、アンテナ間相関値部３２に格納する。従って、アンテナ間相関値部３２に格納される値は、複素相関値の相関値であるため、複素値となっている。位相項抽出部３３は、アンテナ間相関値部３２内のアンテナ間相関値から位相項を取り出し、検出パス情報転送部３５に転送する。検出パス情報転送部３５では、パス検出部２９がパスを検出したタイミングに合わせて、位相項抽出部３３で抽出された位相項をウェイト変換部４２に送出する。このようにすることによって、パスが存在するタイミングに合致する位相項のみを対応するパスに対するアンテナ間位相差としてウェイト変換部４２に送ることが出来る。
【００３１】
以下に、一般的なパス検出方法について述べる。ここでの説明は、本発明の実施形態のアンテナ合成パスタイミング検出部にもそのまま適用できる。
図６は、遅延プロファイルの例を示す図である。
【００３２】
横軸はサンプルで簡単のため１２８サンプルとし、縦軸は各サンプルのレベルを示している。実際の回路では、メモリのアドレスに各サンプルを対応させ、データとして各サンプルのレベルが格納されることになる。
【００３３】
パス検出部２９では、遅延プロファイルの各サンプルのレベルが閾値を上回ったものをパスとして検出する。ここで、検出したパス数が割り当てるフィンガ数よりも多い時には、全ての検出パスにフィンガを割り当てることは出来ない。そこで、検出したパスの大小を比較し、レベルの大きな順に並べ替えを行い、レベルの大きなパスから順にフィンガを割り当てることで、フィンガ数の不足による受信特性劣化を抑えることができる。図６では、４フィンガを割り当てるときを示している。今、閾値を上回る６パスを検出したとすると、大小比較を行って、大きい順に４つのパスを見つけだして、フィンガを割り当てることになる。
【００３４】
検出パス情報転送部３５では、検出したフィンガ数分、あるいは、それ以下のパスについて、パスの時刻に同期したタイミングパルスを送出する。各フィンガでは、タイミングパルスを基に受信信号と拡散符号との相関処理を行うことで逆拡散を行うことができる。
【００３５】
図３及び図５に示した構成では、パス検出窓における全てのタイミングについてアンテナ間相関処理を行い、位相項抽出処理を行っていた。以下では消費電力削減を目的として、特定の時刻のみでアンテナ間相関処理を行う方法について述べる。
【００３６】
図７は、低消費電力・メモリ容量削減のための構成の説明図である。
図７では、サーチャ２０のみ示しており、図３及び図５と同じ構成要素には同じ参照符号を付している。
【００３７】
サーチャ２０の初段で、アンテナ毎に信号が相関処理され、さらにアンテナ合成パスタイミング検出部２２でアンテナ合成された信号は、受信信号に比べてＳＮＲが改善されている。従って、この信号を用いて瞬時のパスの有無を、閾値判定部５２において閾値判定し、閾値を上回った時刻についてのみアンテナ間相関演算を行うことで、低消費電力化が可能となる。このときの回路は、閾値判定部５２、遅延素子５０及びセレクタ５１で構成される。遅延素子５０は、電力化器２５、合成器２６及び閾値判定部５２の処理遅延による信号の遅延を調整するために設けられている。また、平均化部３１の平均化処理のためのメモリは、パスの存在する時刻のみを格納しておけばよいためメモリ容量を削減可能である。
【００３８】
図５のようなフィンガ毎に独立なビーム形成を行う受信機構成では、検出パス毎のアンテナ間相関値を用いてビーム形成を行う。従って、パスが検出されたときのみ位相項抽出処理を行うことで、低消費電力化が可能である。
【００３９】
フィンガに共通のビーム形成（１ＣＨ当たり１つのビームを形成）を行う受信機構成（図３）では、サーチャで検出した最大パスについてのみ位相項抽出処理を行うことで、低消費電力化が可能である。
【００４０】
すなわち、パス検出部２９でパスが検出されると、パス検出信号が位相項抽出部３３に入力され、パスの存在するタイミングのアンテナ間相関値の位相項を抽出するようにする。そして、このようにして、抽出された位相項は、検出パス情報転送部３５に送られ、パス検出部２９からのパス検出信号に従って、パスタイミングとアンテナ間相関推定値が出力される。
【００４１】
次に、本発明の実施形態に関係するアンテナ間相関推定値の算出処理を説明する。
図８は、サーチャ・アダプティブアレー受信部間インターフェースを示す図である。
【００４２】
ここで示した構成は、図７のメモリ容量削減・低消費電力化を行った構成に相当する。パス検出部２９では、レベルの大きな順に４つのパスのサンプル番号（パスタイミング、回路ではメモリのアドレス）を検出パス情報転送部３５に送る。図６同様、レベルの大きな順に（１）、（２）、（３）、（４）と表す。同時にアンテナ間相関推定部２３の位相項抽出部３３にも送る。
【００４３】
位相項抽出部３３では、パス検出部２９で検出したパスに相当するアンテナ間相関値の位相項を、アンテナ間相関値から求め、検出パス情報転送部３５に送る。
【００４４】
検出パス情報転送部３５は、パスタイミング信号及びアンテナ間相関推定値をアダプティブアレー受信部２４に送出する。パスタイミング信号は、パス検出されたサンプルの時刻に同期したタイミングパルスとして送られる。タイミングパルスのパルス幅はサンプル周期であり、１ビットの信号線で送られる。図６の遅延プロファイルの例では、（２）（１）（４）（３）の順にパルスが送られる様子を図８に示した。
【００４５】
また、アンテナ間相関値は複数ビットの情報を必要とするため、複数ビットからなる信号線を用いて、パスタイミング信号に同期してパラレル伝送する。しかしながら、実質的な情報量は信号線の伝送容量に比べて少ないため、シリアル伝送も可能である。
【００４６】
図５のパス毎に独立なビーム形成を行う構成では、パスタイミングに同期して（１）（２）（３）（４）全てのアンテナ間相関推定値情報を転送する。
図３の唯一のビーム形成を行う構成では、最大レベルのパス（１）のみのアンテナ間相関値情報を情報転送する。すなわち、位相項抽出処理を行う際にも、（１）のみについて行えば良い。
【００４７】
以上の説明より、図５及び図３の構成におけるパスタイミング及びアンテナ間相関値情報の送信フローを示すと次のようになる。
図５のパス毎に独立なビーム形成を行う際の処理では、
１）遅延プロファイルより、閾値以上となるパスを検出する。
２）レベルの大きなフィンガ数分のパスタイミングを求める。
３）２）のパスタイミングに相当するアンテナ間相関推定値情報を求める。
４）２）３）で求めた、全てのパスタイミング情報とアンテナ間相関推定値情報をアダプティブアレー受信部に転送する。
５）アダプティブアレー受信部では、パスタイミング情報を基にフィンガ割当て、逆拡散処理を行う。また、各フィンガの初期ウェイトとして、割り当てたパスのアンテナ間相関推定値情報を用いる。
【００４８】
図３の１つのチャネルに唯一のビーム形成を行う際の処理では、
１）遅延プロファイルより、閾値以上となるパスを検出する。
２）最大レベルとなるパスタイミングと、レベルの大きなフィンガ数分のパスタイミングを求める（あるいは、レベルの大きな順に並べ替える）。
３）２）の最大パスタイミングに相当するアンテナ間相関推定値情報を求める。
４）２）３）で求めた、全てのパスタイミング情報と最大パスのアンテナ間相関推定値情報をアダプティブアレー受信部に転送する。
５）アダプティブアレー受信部では、パスタイミング情報を基にフィンガ割当て、逆拡散処理を行う。また、唯一の初期ウェイトとして、最大相関値のパスのアンテナ間相関推定値情報を用いる。
【００４９】
図９は、本発明の別の実施形態を示す図である。
本実施形態は図３の実施形態に示したサーチャ２０で推定したアンテナ間相関推定値をもとにして、送信ビームフォーマのウェイト及び到来方向推定を行う構成である。
【００５０】
図３の実施形態の受信ビーム形成と同様に、サーチャ２０で推定したパスのアンテナ間相関の位相項をウェイトに変換して送信ビームのウェイトとして用いることで、高速な送信ビーム形成が可能である。この際、一般に形成する送信ビームは１つであるため、サーチャ２０で検出した最大相関値のパスのアンテナ間相関値を用いることになる。
【００５１】
また、アンテナ間相関推定値の位相項として抽出した値は、図４におけるωである。従って、次式を用いることによりユーザからの電波の到来方向を推定することが可能である。
【００５２】
θ＝ｓｉｎ-1（ω・λ／２πｄ）
到来方向の検出は、基地局において、ユーザの収容状況を把握する場合にオペレータに管理情報を提供することに用いることが出来る。
＜付記＞
（付記１）複数のアンテナからなるアレーアンテナと、
該複数のアンテナの一部あるいは全てから信号を受信し、受信信号のパスタイミングを検出するサーチャ手段と、
該サーチャ手段で得られたパスタイミングに基づいて、アンテナから受信した信号の逆拡散を行う信号処理手段と、
を備えることを特徴とするアレーアンテナ無線通信装置。
（付記２）該アレーアンテナのビーム形成を行うビームフォーマ手段と、
該ビームフォーマ手段に、ビーム形成に使用するウェイトを与えるウェイト手段と、
該アレーアンテナの一部あるいは全てから得られた信号のそれぞれの相関値である第１の相関値を取得する相関手段と、
それぞれのアンテナに対応する、該相関手段で得られたそれぞれの第１の相関値間の相関値である第２の相関値を取得するアンテナ間相関手段と、
該アンテナ間相関手段によって得られた第２の相関値に基づいて、該ウェイト手段にウェイトの初期値を設定する初期値設定手段と、
を更に備えることを特徴とする付記１に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記３）前記ウェイト手段は、リアルタイムにウェイトを更新することを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記４）前記アンテナ間相関手段は、第２の相関値としてアンテナ間で受信する信号の位相差を前記ウェイト手段に送信し、
前記ウェイト手段は、該位相差をウェイトに変換することを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記５）前記アンテナ間相関手段で得られた前記第２の相関値を基に、ユーザからの電波の到来方向を推定する到来方向推定手段を更に備えることを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記６）前記アンテナ間相関手段で得られた前記第２の相関値に基づいて送信ビーム形成を行う送信ビーム形成手段を備えることを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記７）前記サーチャ手段は、
前記アレーアンテナの各アンテナの受信信号を相関処理した第１の相関値を電力変換後合成し、その後時間平均することによってパス検出を行うタイミング検出手段と、
各アンテナの受信信号を相関処理した第１の相関値の各アンテナ間の相関をとり、該相関をアンテナ間で合成して得た第２の相関値に基づいて、アンテナ間の位相差情報を取得するアンテナ間相関値演算処理手段と
を備えることを特徴とする付記１に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記８）前記アンテナ間相関値演算処理手段は、アンテナ間で合成された前記第２の相関値を時間的に平均することを特徴とする付記７に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記９）前記タイミング検出手段において、前記合成された後の第１の相関値を用いて、仮パス検出を行う仮パス検出手段を更に有し、
前記アンテナ間相関演算処理手段は、仮パス検出されたタイミング信号のみについてアンテナ間の位相差情報を取得することを特徴とする付記７に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記１０）前記信号処理手段は、複数のフィンガからなり、前記ビームフォーマ手段と、前記ウェイト手段と、前記初期値設定手段が各フィンガ毎に設けられており、
前記アンテナ間相関手段は、各パス毎に前記第２の相関値を取得し、各パスに対応する該第２の相関値を用いて、各フィンガ毎に独立にビーム形成のためのウェイトの初期値を与えることを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記１１）前記信号処理手段は、複数のフィンガからなり、前記ウェイト手段と前記初期値設定手段が各フィンガ毎に設けられており、
前記アンテナ間相関手段は、前記相関手段が得た第１の相関値が最大値を示すパスについてのみ前記第２の相関値を取得し、同一チャネルのフィンガには、同一のビーム形成のためのウェイトの初期値を与えることを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
【００５３】
【発明の効果】
本発明のサーチャはアンテナ合成遅延プロファイルを用いてパス検出を行うため、アレーアンテナを適用したシステムの安定したパスサーチャ動作が可能である。また、初期パス検出（同期獲得）の段階で推定したアンテナ間相関値を受信アレーアンテナ処理部のビームフォーマの初期ウェイトとして用いることで、高速なビーム形成が可能となる。また、下りビームフォーミングのウェイトにもサーチャで得たウェイトを使うことが可能である。更にサーチャで推定したアンテナ間相関値をもとに到来方向推定を行うことも可能である。
【００５４】
以上のことは、ＣＤＭＡ移動通信システムにアレーアンテナを適用した際、パスサーチ特性の劣化及び形成したビームの不完全性により生じる送信電力の増加を抑えることが出来る。従って、他ユーザからの干渉量によりシステム容量が制限されるＣＤＭＡ方式において、アレーアンテナ適用時に特性劣化を招くことなく、システム容量の増加が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の原理的説明図である。
【図２】本発明のアレーアンテナ受信機構成の一実施形態を示す図である。
【図３】本発明の実施形態のより詳細な構成例を示した図である。
【図４】アレーアンテナの構成とアンテナ間相関について説明する図である。
【図５】図３の実施形態の構成の変形例を示す図である。
【図６】遅延プロファイルの例を示す図である。
【図７】低消費電力・メモリ容量削減のための構成の説明図である。
【図８】サーチャ・アダプティブアレー受信部間インターフェースを示す図である。
【図９】本発明の別の実施形態を示す図である。
【図１０】従来のＤＳ−ＣＤＭＡアレーアンテナ受信装置ベースバンド信号処理部の構成を示す。
【符号の説明】
２０ サーチャ
２１ アレーアンテナ
２２ アンテナ合成パスタイミング検出部
２３ アンテナ間相関推定部
２４ アダプティブアレー受信部
２５ 電力化器
２６ 合成器
２７、３１ 平均化器
２８ 遅延プロファイル部
２９ パス検出部
３０ アンテナ間相関部
３２ アンテナ相関値部
３３ 位相項抽出部
３５ 検出パス情報転送部
４０ フィンガ
４１ ウェイト更新部
４２ ウェイト変換部
５０ 遅延器
５１ セレクタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレーアンテナを用いた無線通信装置のベースバンド信号処理の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代移動通信システムとして、ＤＳ−ＣＤＭＡ技術を用いたデジタルセルラ無線通信システムの開発が進められている。ＣＤＭＡ方式は、符号によりチャネルを割り当てて同時に通信を行う方式であるが、同時に通話を行っている他チャネルからの信号が干渉となり、結果として同時通話可能なチャネル数（チャネル容量）が制限される。このため干渉抑制技術の適用がチャネル容量増加に有効である。
【０００３】
アダプティブアレーアンテナは、希望ユーザへのビーム形成（アレーアンテナからの電波の送信強度が方向によって異なることから、最も強度の大きい方向にビームが形成されているという。同様に電波を受信する場合も、最も電波の受信感度の良い方向をビームが形成されているという）、大きな干渉源となるユーザへのヌル点形成（アレーアンテナから送信される電波の強度が０になる方向をヌル点という。同様に、電波を受信する際にも受信感度が０である方向をヌル点という）を環境に応じて適応的に行う技術であり、チャネル容量増加を可能とする技術である。すなわち、希望ユーザの方向にビームを形成し、大きな干渉源となるユーザへヌル点を向けることによって希望ユーザからは感度よく電波を受信し、大きな干渉源からは電波を全く受信しないようにすることができる。このようにして干渉量を減らすことにより、チャネル容量を増やすことが出来る。
【０００４】
図１０は、従来のＤＳ−ＣＤＭＡアレーアンテナ受信装置ベースバンド信号処理部の構成を示す。
アダプティブアレー受信部１０は、マルチパス信号をＲＡＫＥ受信するために複数のフィンガ１１から構成され、各フィンガ１１は逆拡散部１２、ビームフォーマ１３、同期検波部１４を有し、各パスの受信信号処理を行う。各フィンガ１１で復調された出力信号を同相合成することでＲＡＫＥ受信を行っている。また、受信環境に応じて適応的にビーム形成を行うための適応アルゴリズムを用いたウェイト更新部１５を有する。このウェイト更新部１５のウェイト更新アルゴリズムは公知であるので、詳細な説明は省略する。この公知のウェイト更新アルゴリズムによれば、ビームを所望の方向に向ける他に、ヌル点を干渉電力の大きい他のユーザの方向に向けて、干渉量を削減することが出来る。ビームフォーマ１３は、各アンテナからの信号に複素数で表されるウェイトを乗算することにより、受信信号あるいは送信信号の相対位相を調整して、アレーアンテナから送信される電波の送信／受信強度の強い方向（ビームが形成される方向）を変化させるものである。ウェイト更新部１５は、ビームフォーマ１３が形成するビームの方向を最適化するために、ビームフォーマ１３が使用するウェイトの値を更新してビームフォーマ１３に与えるものである。
【０００５】
サーチャ１６でのパス検出には、１つのアンテナの受信信号が用いられている。サーチャ１６での処理は、マッチドフィルタ（ＭＦ）を用いて相関処理（逆拡散処理に相当）を行い、得られた複素相関値をフェージングによる位相回転が少ない期間で同相加算することでＳＮＲ（信号対雑音比）の改善を図った後、電力に変換して電力加算することでフェージングによるパスレベル変動を平均化した遅延プロファイルを取得する。この平均化は、異なる時間に測定されたパス検出窓を重ね合わせて換算するものである。このときのパス検出窓幅はＭＦのタップ長となる。取得した遅延プロファイルを基に、レベルの大きなパスをサーチすることでパスタイミング検出を行っている。
【０００６】
サーチャ１６で検出した複数のパスタイミング情報は、アダプティブアレー受信部１０に送られ、各フィンガ１１の逆拡散タイミングとして用いられる。フィンガ１１で逆拡散信号が得られた後、ウェイト更新部１５は動作を開始する。従って、ウェイトの収束にはフィンガ割当て後、しばらく時間が必要となる。また、ビーム形成で得られた利得分の送信電力を下げようとすると、ＳＮＲ低下により安定したパス検出が行われなくなるおそれがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＳ−ＣＤＭＡを用いた移動通信システムでは、多元接続を行っている他ユーザからの干渉量により通信品質（デジタル通信時の平均ビット誤り率）が劣化し、所要品質を満たす多元接続ユーザ数としてシステム容量が決定される。特に移動通信環境のＣＤＭＡ通信方式では、１つの基地局と通信を行う多数のユーザとの基地局間距離の違いにより、システム容量が低下してしまう。この問題を解決するため、基地局において全ユーザの受信電力が等しくなるように送信電力を制御することで、システム容量の増加が可能であり、ＣＤＭＡ移動通信において送信電力制御は必要不可欠な技術である。
【０００８】
さて、送信電力制御を行うＤＳ−ＣＤＭＡシステムにアレーアンテナを適用すると、ビームフォーミング及びＲＡＫＥ合成後のＳＩＲ（信号対干渉電力比）を一定とするように送信電力制御が行われる。このため複数のアンテナを使用するアレーアンテナにおいては、アンテナ１素子当たりの電波の受信強度が小さくなり、従って、アンテナ１素子当たりのＳＮＲ（信号対雑音比）は低下し、アンテナ１素子のみを用いたパスサーチでは、パス検出精度が劣化してしまう。すなわち、従来技術のように、複数のアンテナの内、１つのアンテナからの信号を使用してパスサーチを行っていたのでは、アンテナが一本の場合よりＳＮＲが悪い状態で処理を行わなくてはならない。パス検出精度が低下し、複数のパスを受信できなくなると、ビームフォーミング及びＲＡＫＥ合成による効果が少なくなるため、送信電力を増加することになってしまい、チャネル容量の増加を目的にアレーアンテナを適用したにもかかわらず、適用効果が上がらないという結果になってしまう。従って、アレーアンテナ適用時にアンテナ１素子当たりのＳＮＲ低下が起こっても、十分な精度でのパス検出が可能な方式は、受信信号処理部の安定動作のために望ましく、アレーアンテナ適用時に確実なシステム容量増加のためには不可欠である。
【０００９】
また、アレーアンテナ受信信号処理部に用いられているＬＭＳ（最小二乗誤差）法などのウェイト更新アルゴリズムでは、ビーム形成までに数十フレーム程度の時間が必要であり、送られてくるデータ伝送の継続時間がそれ以下の場合にはアレーアンテナ化の効果は望めない。またデータをダウンロードするような場合、端末から基地局に対する上り信号の送信時間は短く、下り信号の送信時間は長くなることが予想される。その際、下りビームの形成が十分でないため、大きな電力で送信を行うことになり、システム容量の観点から望ましくない。従って、端末から短時間の送信信号に対しても高速にビーム形成可能な方法が望まれる。
【００１０】
本発明の課題は、アレーアンテナを用いた受信装置のベースバンド処理部における高速ビーム形成のための回路構成、及び、これを実現するためのサーチャの回路構成を提供することにより、アレーアンテナ適用時のパス検出特性の改善、パケット伝送の増加及びデータのダウンロードなどにおいて、高速ビーム形成を行うことで、システムの安定動作を実現し、システム容量改善を図ることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のアレーアンテナ無線通信装置は、複数のアンテナからなるアレーアンテナと、該複数のアンテナの一部あるいは全てから信号を受信し、受信信号のパスタイミングを検出するサーチャ手段と、該サーチャ手段で得られたパスタイミングに基づいて、アンテナから受信した信号の逆拡散を行う信号処理手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、従来アレーアンテナの１本のみを用いてパスタイミングを検出していたのに比べ、送信電力制御による１本のアンテナ当たりのＳＮＲの低下によるパスタイミングの検出精度の劣化を防止することが出来る。
【００１３】
また、アレーアンテナのそれぞれのアンテナからの信号の相関値をとり、更に、アンテナ間の相関値の相関を取ることにより、ユーザからの電波の到来方向を推定することが出来るとともに、この情報を基にしてビームフォーマに設定するウェイトの初期値を与えることによって、ビーム形成を迅速に行うことが出来る。このように、迅速にビーム形成を行うことによって、ユーザからの受信信号の品質やユーザに送る送信信号の品質を高品質に保つことが出来る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態の原理的説明図である。
本発明の実施形態のサーチャ２０には、複数のアンテナからなるアレーアンテナ２１の全ての信号が入力される。
【００１５】
サーチャ２０では、アンテナ毎に逆拡散のための相関処理を行った後、アンテナ合成パスタイミング検出部２２と並列に設けられたアンテナ間相関推定部２３に入力される。アンテナ合成パスタイミング検出部２２では、各アンテナの相関処理後の複素相関値信号を電力に変換後、合成することで、低ＳＮＲでも高精度なパスタイミング検出を実現する。また、アンテナ間相関推定部２３では、相関処理後の各アンテナの複素相関値信号を用いてアンテナ間相関値を推定する。
【００１６】
アレーアンテナ受信信号処理部２４とサーチャ２０間のインターフェースは、パスタイミング信号に加えてアンテナ間相関値に相当する信号を設けておく。
アダプティブアレー受信部２４では、サーチャ２０から得たアンテナ間相関推定値をウェイト更新部の初期値として設定する。
【００１７】
図２は、本発明のアレーアンテナ受信機構成の一実施形態を示す図である。
アレーアンテナ２１の各アンテナで受信された無線周波数の信号は、周波数変換部でベースバンド信号に変換された後、Ａ／Ｄ変換器により離散・量子化されデジタルベースバンド信号に変換される（不図示）。
【００１８】
デジタルベースバンド信号は、ビームフォーミング・復調処理を行うアダプティブアレー受信部２４とパスサーチを行うサーチャ２０に入力される。
本発明の実施形態のサーチャ２０では、アレーアンテナ２１の複数アンテナの信号が入力される。アレーアンテナ２１の信号は、アンテナ毎に逆拡散処理のための相関処理を受けて複素相関値信号となって、アンテナ合成パスタイミング検出部２２とアンテナ間相関推定部２３に入力される。
【００１９】
アンテナ合成パスタイミング検出部２２では、各アンテナからの複素相関値信号を電力変換器２５で電力に変換した後、合成器２６で合成する。これは、パスの存在する時刻ではアンテナ間でほぼ同レベルの大きな信号が得られているが、パスの存在しない時刻では雑音であるためランダムでレベルの小さな信号を合成することになり、信号成分がアンテナ数倍されるのに対し、雑音はアンテナ数倍されることはなく平均化され、従って、合成後の信号に対する雑音の分布は、合成前に対して抑圧されたものとなる。
【００２０】
アンテナ間の複素相関値を合成した信号は、平均化部２７において、所定時間分の電力値を積算して時間平均を行い、各パスのフェージングによる変動の平均化処理を行って遅延プロファイルを遅延プロファイル部２８に格納する。そして、この遅延プロファイルを用いて、パス検出部２９においてパス検出を行うことでパス検出特性を改善することができる。
【００２１】
アンテナ間相関推定部２３では、アレーアンテナ間の相関値をアンテナ間相関部３０において推定し、平均化部３１において時間平均を行うことによりフェージングによるパスのレベル変動を補償し、推定精度向上を行っている。平均化処理の出力では、遅延プロファイルの各タイミングに対応するアンテナ間相関値が得られている。
【００２２】
アダプティブアレー受信部２４では、検出したパスタイミングの信号を、対応するタイミングのアンテナ間相関値から得られるウェイトを用いて、ビームフォーミングした信号により復調処理を行う。
【００２３】
図３は、本発明の実施形態のより詳細な構成例を示した図である。図４は、アレーアンテナの構成とアンテナ間相関について説明する図である。
本実施形態のサーチャ２０のアンテナ間合成パスタイミング検出部２２の構成は、図２と同様であるため説明は省略する。
【００２４】
本実施形態において、アンテナ構成は図４に示すような等間隔直線アレーアンテナであるとする。このとき隣り合うアンテナ間の位相差は全てωである。従って、サーチャ２０のアンテナ間相関推定部２３では、アンテナ間相関部３０で、複素の相関処理出力（複素の相関値、すなわち、Ｉ信号とＱ信号のそれぞれについて求められた相関値を１組の複素数としてあつかったもの）を隣り合うアンテナ間で乗算（ただし基準側信号は複素共役とする）を行った後、合成する。このような演算を行うことにより、等間隔直線アレー構成では、全ての乗算結果の位相部分がωとなるべきであるため、合成により雑音成分は平均化され、正しいアンテナ間相関値を示す複素値は加算されるため雑音抑圧効果が得られる。
【００２５】
また、平均化部３１において時間平均を行うことにより、フェージングによるレベル変動を含めた平均化効果によりアンテナ間相関の推定精度向上を図る。平均化部３１の時間平均は、パス検出窓に対し繰り返し測定した結果を加算するもので、すなわち、複数の異なる時間に検出されたアンテナ相関値が含まれるパス検出窓を重ね合わせて加算するものである。なお、この平均化部３１は、連続通信のように長時間にわたって信号が送られて来るような場合には、時間平均を行うが、パケット通信のように、データがバースト的に送信される場合には、時間平均を行う時間的余裕がないので、平均化処理は行わない。このようにして得られたアンテナ間相関推定値は、パス毎に平均電力が異なる信号を処理するため大きなダイナミックスレンジが必要となる。しかしながら、本アンテナ間相関推定部２３で推定した信号は、ビームフォーマのウェイトとして用いることを主たる目的としている。すなわち、各ウェイトの振幅が１／（アンテナ素子数）であれば、ビームフォーマの出力で得られる信号はアレーアンテナ２１を用いない（一本のアンテナを用いる）ときと等しいダイナミックレンジとなる。また、直線アレーアンテナであるため、隣り合うアンテナでのウェイトの位相項の差は等しい。すなわち、推定したアンテナ間相関値から隣り合うアンテナ間の位相差が分かれば、全てのアンテナウェイトを求めることができる。従って、本実施形態では、アンテナ間相関推定部２３では、位相項抽出部３３においてアンテナ間相関値から位相項抽出処理を行っている。具体的な位相項抽出処理については、特願２０００−１８１２９２号明細書を参照されたい。
【００２６】
パス検出部２９では、遅延プロファイル部２８に格納されている遅延プロファイルをもとにパス検出閾値を上回ったパスタイミングの検出を行う。検出パス情報転送部３５では、検出されたパスのタイミングパルスを送出する。その際、最大パスのアンテナ間相関推定値の位相項も転送する。アダプティブアレー受信部２４では、受信したパルスタイミングで逆拡散を開始する。また、同時に受信したアンテナ間相関の位相項情報（例えば、図４の位相回転量ω）は、演算またはテーブルを用いてウェイト情報に変換し（例えば、ωを用いてｅｘｐ（ｊｎω）を求める。ここで、ｊは虚数単位、ｎはアンテナ番号を示す整数）、当該フィンガのビーム形成のためのウェイトとして用いる。なお、ここでは、アダプティブアレー受信部２４にサーチャ２０から送るアンテナ間相関推定値として、位相回転量を送信し、ウェイト変換部４２においてウェイトに変換しているが、ウェイトそのものをサーチャ２０で算出して、ウェイト更新部４１に直接入力するようにしても良い。
【００２７】
このように、本実施形態においては、ビームフォーマの初期ウェイトとして、サーチャ２０で求められた、アンテナ間相関推定値を用いているので、所望のユーザのいると思われる概略の方向にビーム形成をいきなり行うことが出来る。その後、ウェイト更新部４１が公知のアルゴリズムを用いて、ウェイトを更新し、正しい方向にビーム形成を行うので、従来のように、全く所望のユーザのいる方向と関係ないウェイト初期値からウェイトを更新するより、より速く、ウェイト更新の収束を達成することが出来る。
【００２８】
図５は、図３の実施形態の構成の変形例を示す図である。
なお、図５において、図３と同じ構成要素には同じ参照符号を付する。
図５の実施形態においては、各フィンガ４０のそれぞれにウェイト更新部４１及びウェイト変換部４２が設けられている。図３の実施形態の場合には、全てのフィンガに共通にウェイト更新部とウェイト変換部が設けられていたため、同一チャネルについては、異なるパスからの信号でも同じウェイトを使って、１つのビームの形成をおこなっていた。しかし、実際には、パスが異なるとアレーアンテナ２１に入力する電波の入力方向が異なると考えられるので、本実施形態では、各パスに対応する各フィンガ４０にそれぞれ異なったウェイトを設定するようにしている。このようにすることによって、同一チャネルであってもそれぞれのパスに対して、独立にビーム形成を行い、所望のユーザからの電波を感度よく受信し、その他のユーザからの電波の受信感度を低く、あるいは、０とすることにより受信感度をより向上することが出来る。
【００２９】
サーチャ２０においては、アレーアンテナ２１からそれぞれ送られてきた信号を基に、それぞれのアンテナに対し相関処理を行い、複素の相関値を生成する。複素の相関値は、一方は、アンテナ合成パスタイミング検出部２２に入力され、他方はアンテナ間相関推定部に入力される。そして、前述したように、アンテナ合成パスタイミング検出部２２では、複素の相関値の電力値を取り、各アンテナに対応する相関値の電力値を加算し、平均化して、遅延プロファイルを求める。そして、求められた遅延プロファイルを基に、所定の閾値以上の相関電力値を求めて、パス検出を行う。この結果は、検出パス情報転送部３５に入力される。
【００３０】
また、アンテナ間相関推定部２３では、各アンテナからの複素の相関値間で、相関を取るために、あるアンテナの相関値と、隣の、基準となるアンテナの相関値の複素共役とを乗算し、アンテナ間相関値を得る。これを加算して、平均化し、アンテナ間相関値として、アンテナ間相関値部３２に格納する。従って、アンテナ間相関値部３２に格納される値は、複素相関値の相関値であるため、複素値となっている。位相項抽出部３３は、アンテナ間相関値部３２内のアンテナ間相関値から位相項を取り出し、検出パス情報転送部３５に転送する。検出パス情報転送部３５では、パス検出部２９がパスを検出したタイミングに合わせて、位相項抽出部３３で抽出された位相項をウェイト変換部４２に送出する。このようにすることによって、パスが存在するタイミングに合致する位相項のみを対応するパスに対するアンテナ間位相差としてウェイト変換部４２に送ることが出来る。
【００３１】
以下に、一般的なパス検出方法について述べる。ここでの説明は、本発明の実施形態のアンテナ合成パスタイミング検出部にもそのまま適用できる。
図６は、遅延プロファイルの例を示す図である。
【００３２】
横軸はサンプルで簡単のため１２８サンプルとし、縦軸は各サンプルのレベルを示している。実際の回路では、メモリのアドレスに各サンプルを対応させ、データとして各サンプルのレベルが格納されることになる。
【００３３】
パス検出部２９では、遅延プロファイルの各サンプルのレベルが閾値を上回ったものをパスとして検出する。ここで、検出したパス数が割り当てるフィンガ数よりも多い時には、全ての検出パスにフィンガを割り当てることは出来ない。そこで、検出したパスの大小を比較し、レベルの大きな順に並べ替えを行い、レベルの大きなパスから順にフィンガを割り当てることで、フィンガ数の不足による受信特性劣化を抑えることができる。図６では、４フィンガを割り当てるときを示している。今、閾値を上回る６パスを検出したとすると、大小比較を行って、大きい順に４つのパスを見つけだして、フィンガを割り当てることになる。
【００３４】
検出パス情報転送部３５では、検出したフィンガ数分、あるいは、それ以下のパスについて、パスの時刻に同期したタイミングパルスを送出する。各フィンガでは、タイミングパルスを基に受信信号と拡散符号との相関処理を行うことで逆拡散を行うことができる。
【００３５】
図３及び図５に示した構成では、パス検出窓における全てのタイミングについてアンテナ間相関処理を行い、位相項抽出処理を行っていた。以下では消費電力削減を目的として、特定の時刻のみでアンテナ間相関処理を行う方法について述べる。
【００３６】
図７は、低消費電力・メモリ容量削減のための構成の説明図である。
図７では、サーチャ２０のみ示しており、図３及び図５と同じ構成要素には同じ参照符号を付している。
【００３７】
サーチャ２０の初段で、アンテナ毎に信号が相関処理され、さらにアンテナ合成パスタイミング検出部２２でアンテナ合成された信号は、受信信号に比べてＳＮＲが改善されている。従って、この信号を用いて瞬時のパスの有無を、閾値判定部５２において閾値判定し、閾値を上回った時刻についてのみアンテナ間相関演算を行うことで、低消費電力化が可能となる。このときの回路は、閾値判定部５２、遅延素子５０及びセレクタ５１で構成される。遅延素子５０は、電力化器２５、合成器２６及び閾値判定部５２の処理遅延による信号の遅延を調整するために設けられている。また、平均化部３１の平均化処理のためのメモリは、パスの存在する時刻のみを格納しておけばよいためメモリ容量を削減可能である。
【００３８】
図５のようなフィンガ毎に独立なビーム形成を行う受信機構成では、検出パス毎のアンテナ間相関値を用いてビーム形成を行う。従って、パスが検出されたときのみ位相項抽出処理を行うことで、低消費電力化が可能である。
【００３９】
フィンガに共通のビーム形成（１ＣＨ当たり１つのビームを形成）を行う受信機構成（図３）では、サーチャで検出した最大パスについてのみ位相項抽出処理を行うことで、低消費電力化が可能である。
【００４０】
すなわち、パス検出部２９でパスが検出されると、パス検出信号が位相項抽出部３３に入力され、パスの存在するタイミングのアンテナ間相関値の位相項を抽出するようにする。そして、このようにして、抽出された位相項は、検出パス情報転送部３５に送られ、パス検出部２９からのパス検出信号に従って、パスタイミングとアンテナ間相関推定値が出力される。
【００４１】
次に、本発明の実施形態に関係するアンテナ間相関推定値の算出処理を説明する。
図８は、サーチャ・アダプティブアレー受信部間インターフェースを示す図である。
【００４２】
ここで示した構成は、図７のメモリ容量削減・低消費電力化を行った構成に相当する。パス検出部２９では、レベルの大きな順に４つのパスのサンプル番号（パスタイミング、回路ではメモリのアドレス）を検出パス情報転送部３５に送る。図６同様、レベルの大きな順に（１）、（２）、（３）、（４）と表す。同時にアンテナ間相関推定部２３の位相項抽出部３３にも送る。
【００４３】
位相項抽出部３３では、パス検出部２９で検出したパスに相当するアンテナ間相関値の位相項を、アンテナ間相関値から求め、検出パス情報転送部３５に送る。
【００４４】
検出パス情報転送部３５は、パスタイミング信号及びアンテナ間相関推定値をアダプティブアレー受信部２４に送出する。パスタイミング信号は、パス検出されたサンプルの時刻に同期したタイミングパルスとして送られる。タイミングパルスのパルス幅はサンプル周期であり、１ビットの信号線で送られる。図６の遅延プロファイルの例では、（２）（１）（４）（３）の順にパルスが送られる様子を図８に示した。
【００４５】
また、アンテナ間相関値は複数ビットの情報を必要とするため、複数ビットからなる信号線を用いて、パスタイミング信号に同期してパラレル伝送する。しかしながら、実質的な情報量は信号線の伝送容量に比べて少ないため、シリアル伝送も可能である。
【００４６】
図５のパス毎に独立なビーム形成を行う構成では、パスタイミングに同期して（１）（２）（３）（４）全てのアンテナ間相関推定値情報を転送する。
図３の唯一のビーム形成を行う構成では、最大レベルのパス（１）のみのアンテナ間相関値情報を情報転送する。すなわち、位相項抽出処理を行う際にも、（１）のみについて行えば良い。
【００４７】
以上の説明より、図５及び図３の構成におけるパスタイミング及びアンテナ間相関値情報の送信フローを示すと次のようになる。
図５のパス毎に独立なビーム形成を行う際の処理では、
１）遅延プロファイルより、閾値以上となるパスを検出する。
２）レベルの大きなフィンガ数分のパスタイミングを求める。
３）２）のパスタイミングに相当するアンテナ間相関推定値情報を求める。
４）２）３）で求めた、全てのパスタイミング情報とアンテナ間相関推定値情報をアダプティブアレー受信部に転送する。
５）アダプティブアレー受信部では、パスタイミング情報を基にフィンガ割当て、逆拡散処理を行う。また、各フィンガの初期ウェイトとして、割り当てたパスのアンテナ間相関推定値情報を用いる。
【００４８】
図３の１つのチャネルに唯一のビーム形成を行う際の処理では、
１）遅延プロファイルより、閾値以上となるパスを検出する。
２）最大レベルとなるパスタイミングと、レベルの大きなフィンガ数分のパスタイミングを求める（あるいは、レベルの大きな順に並べ替える）。
３）２）の最大パスタイミングに相当するアンテナ間相関推定値情報を求める。
４）２）３）で求めた、全てのパスタイミング情報と最大パスのアンテナ間相関推定値情報をアダプティブアレー受信部に転送する。
５）アダプティブアレー受信部では、パスタイミング情報を基にフィンガ割当て、逆拡散処理を行う。また、唯一の初期ウェイトとして、最大相関値のパスのアンテナ間相関推定値情報を用いる。
【００４９】
図９は、本発明の別の実施形態を示す図である。
本実施形態は図３の実施形態に示したサーチャ２０で推定したアンテナ間相関推定値をもとにして、送信ビームフォーマのウェイト及び到来方向推定を行う構成である。
【００５０】
図３の実施形態の受信ビーム形成と同様に、サーチャ２０で推定したパスのアンテナ間相関の位相項をウェイトに変換して送信ビームのウェイトとして用いることで、高速な送信ビーム形成が可能である。この際、一般に形成する送信ビームは１つであるため、サーチャ２０で検出した最大相関値のパスのアンテナ間相関値を用いることになる。
【００５１】
また、アンテナ間相関推定値の位相項として抽出した値は、図４におけるωである。従って、次式を用いることによりユーザからの電波の到来方向を推定することが可能である。
【００５２】
θ＝ｓｉｎ-1（ω・λ／２πｄ）
到来方向の検出は、基地局において、ユーザの収容状況を把握する場合にオペレータに管理情報を提供することに用いることが出来る。
＜付記＞
（付記１）複数のアンテナからなるアレーアンテナと、
該複数のアンテナの一部あるいは全てから信号を受信し、受信信号のパスタイミングを検出するサーチャ手段と、
該サーチャ手段で得られたパスタイミングに基づいて、アンテナから受信した信号の逆拡散を行う信号処理手段と、
を備えることを特徴とするアレーアンテナ無線通信装置。
（付記２）該アレーアンテナのビーム形成を行うビームフォーマ手段と、
該ビームフォーマ手段に、ビーム形成に使用するウェイトを与えるウェイト手段と、
該アレーアンテナの一部あるいは全てから得られた信号のそれぞれの相関値である第１の相関値を取得する相関手段と、
それぞれのアンテナに対応する、該相関手段で得られたそれぞれの第１の相関値間の相関値である第２の相関値を取得するアンテナ間相関手段と、
該アンテナ間相関手段によって得られた第２の相関値に基づいて、該ウェイト手段にウェイトの初期値を設定する初期値設定手段と、
を更に備えることを特徴とする付記１に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記３）前記ウェイト手段は、リアルタイムにウェイトを更新することを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記４）前記アンテナ間相関手段は、第２の相関値としてアンテナ間で受信する信号の位相差を前記ウェイト手段に送信し、
前記ウェイト手段は、該位相差をウェイトに変換することを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記５）前記アンテナ間相関手段で得られた前記第２の相関値を基に、ユーザからの電波の到来方向を推定する到来方向推定手段を更に備えることを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記６）前記アンテナ間相関手段で得られた前記第２の相関値に基づいて送信ビーム形成を行う送信ビーム形成手段を備えることを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記７）前記サーチャ手段は、
前記アレーアンテナの各アンテナの受信信号を相関処理した第１の相関値を電力変換後合成し、その後時間平均することによってパス検出を行うタイミング検出手段と、
各アンテナの受信信号を相関処理した第１の相関値の各アンテナ間の相関をとり、該相関をアンテナ間で合成して得た第２の相関値に基づいて、アンテナ間の位相差情報を取得するアンテナ間相関値演算処理手段と
を備えることを特徴とする付記１に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記８）前記アンテナ間相関値演算処理手段は、アンテナ間で合成された前記第２の相関値を時間的に平均することを特徴とする付記７に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記９）前記タイミング検出手段において、前記合成された後の第１の相関値を用いて、仮パス検出を行う仮パス検出手段を更に有し、
前記アンテナ間相関演算処理手段は、仮パス検出されたタイミング信号のみについてアンテナ間の位相差情報を取得することを特徴とする付記７に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記１０）前記信号処理手段は、複数のフィンガからなり、前記ビームフォーマ手段と、前記ウェイト手段と、前記初期値設定手段が各フィンガ毎に設けられており、
前記アンテナ間相関手段は、各パス毎に前記第２の相関値を取得し、各パスに対応する該第２の相関値を用いて、各フィンガ毎に独立にビーム形成のためのウェイトの初期値を与えることを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
（付記１１）前記信号処理手段は、複数のフィンガからなり、前記ウェイト手段と前記初期値設定手段が各フィンガ毎に設けられており、
前記アンテナ間相関手段は、前記相関手段が得た第１の相関値が最大値を示すパスについてのみ前記第２の相関値を取得し、同一チャネルのフィンガには、同一のビーム形成のためのウェイトの初期値を与えることを特徴とする付記２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
【００５３】
【発明の効果】
本発明のサーチャはアンテナ合成遅延プロファイルを用いてパス検出を行うため、アレーアンテナを適用したシステムの安定したパスサーチャ動作が可能である。また、初期パス検出（同期獲得）の段階で推定したアンテナ間相関値を受信アレーアンテナ処理部のビームフォーマの初期ウェイトとして用いることで、高速なビーム形成が可能となる。また、下りビームフォーミングのウェイトにもサーチャで得たウェイトを使うことが可能である。更にサーチャで推定したアンテナ間相関値をもとに到来方向推定を行うことも可能である。
【００５４】
以上のことは、ＣＤＭＡ移動通信システムにアレーアンテナを適用した際、パスサーチ特性の劣化及び形成したビームの不完全性により生じる送信電力の増加を抑えることが出来る。従って、他ユーザからの干渉量によりシステム容量が制限されるＣＤＭＡ方式において、アレーアンテナ適用時に特性劣化を招くことなく、システム容量の増加が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の原理的説明図である。
【図２】本発明のアレーアンテナ受信機構成の一実施形態を示す図である。
【図３】本発明の実施形態のより詳細な構成例を示した図である。
【図４】アレーアンテナの構成とアンテナ間相関について説明する図である。
【図５】図３の実施形態の構成の変形例を示す図である。
【図６】遅延プロファイルの例を示す図である。
【図７】低消費電力・メモリ容量削減のための構成の説明図である。
【図８】サーチャ・アダプティブアレー受信部間インターフェースを示す図である。
【図９】本発明の別の実施形態を示す図である。
【図１０】従来のＤＳ−ＣＤＭＡアレーアンテナ受信装置ベースバンド信号処理部の構成を示す。
【符号の説明】
２０ サーチャ
２１ アレーアンテナ
２２ アンテナ合成パスタイミング検出部
２３ アンテナ間相関推定部
２４ アダプティブアレー受信部
２５ 電力化器
２６ 合成器
２７、３１ 平均化器
２８ 遅延プロファイル部
２９ パス検出部
３０ アンテナ間相関部
３２ アンテナ相関値部
３３ 位相項抽出部
３５ 検出パス情報転送部
４０ フィンガ
４１ ウェイト更新部
４２ ウェイト変換部
５０ 遅延器
５１ セレクタ
Claims (4)
- 複数のアンテナからなるアレーアンテナと、
該アレーアンテナの各アンテナの受信信号を相関処理した第１の相関値を入力し、電力変換後合成し、その後時間平均することによってパス検出を行うタイミング検出手段と、各アンテナの受信信号を相関処理した第１の相関値の各アンテナ間の相関をとり、該相関をアンテナ間で合成して得た第２の相関値に基づいて、アンテナ間の位相差情報を取得するアンテナ間相関値演算処理手段とを備える、該複数のアンテナの全てから受信した信号を電力変換後に合成し、その信号のパスタイミングを検出するサーチャ手段と、
該サーチャ手段で得られたパスタイミングに基づいて、アンテナから受信した信号の逆拡散を行う信号処理手段と、
を備えることを特徴とするアレーアンテナ無線通信装置。 - 該アレーアンテナのビーム形成を行うビームフォーマ手段と、該ビームフォーマ手段に、ビーム形成に使用するウェイトを与えるウェイト手段と、該アレーアンテナの一部あるいは全てから得られた信号のそれぞれの相関値である第１の相関値を取得する相関手段と、それぞれのアンテナに対応する、該相関手段で得られたそれぞれの第１の相関値間の相関値である第２の相関値を取得するアンテナ間相関手段と、該アンテナ間相関手段によって得られた第２の相関値に基づいて、該ウェイト手段にウェイトの初期値を設定する初期値設定手段と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
- 前記信号処理手段は、複数のフィンガからなり、前記ビームフォーマ手段と、前記ウェイト手段と、前記初期値設定手段が各フィンガ毎に設けられており、前記アンテナ間相関手段は、各パス毎に前記第２の相関値を取得し、各パスに対応する該第２の相関値を用いて、各フィンガ毎に独立にビーム形成のためのウェイトの初期値を与えることを特徴とする請求項２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
- 前記信号処理手段は、複数のフィンガからなり、前記ウェイト手段と前記初期値設定手段が各フィンガに共通に設けられており、前記アンテナ間相関手段は、前記相関手段が得た第１の相関値が最大値を示すパスについてのみ前記第２の相関値を取得し、同一チャネルのフィンガには、同一のビーム形成のためのウェイトの初期値を与えることを特徴とする請求項２に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
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