JP4129417B2 - アレイアンテナ制御装置及びアレイアンテナ制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、複数のアンテナエレメントを有するアレイアンテナを制御するアレイアンテナ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速かつ大量にデータを伝送する無線通信方式として、時分割マルチキャリア伝送方式が提案されている。時分割マルチキャリア伝送方式は、送信されるべきデータを時系列に分割し、データを伝送する方式である。このとき、時分割したデータ毎に参照信号を挿入し、複数のアンテナを用いて受信する場合に受信信号と参照信号との相関に基づいて算出されたアンテナ重みを用いて信号を得ることができる。
【０００３】
このようなアレイアンテナ制御装置のブロック図を図４に示す。アンテナ（Antenna１〜Ｍ）が受信した信号は、無線部（RF Block）及びディジタル・ダウンサンプリング・コンバータ（ＤＤＣ）によって増幅、周波数変換等の無線周波数帯における処理がされる。そして、無線周波数帯における処理がなされた信号は合成制御手段（Path Control）を経由してＤＳＰに入力される。ＤＳＰでは、受信信号強度演算手段（Power Combiner）が一定区間の信号強度を算出し、相関演算手段（MxM Matrix Processing）が信号強度と雑音強度の行列演算によって、信号強度と雑音強度の相関を計算する。その行列演算された受信信号は、周波数補償手段（Frequency Estimator）及び時間補償手段（Timing Estimator）によって周波数及び時間特性のズレを補償するための補償係数が算出される。そして、受信制御手段（Rx Compensator）によって、算出された補償係数を用いて、受信信号を重み付けすることによって、前記受信信号から所望信号が抽出される。そして、復調手段（Decoding）で復調され、論理回路（Physical to Logical）を介してデータバスに出力される。
【０００４】
また、このようなアダプティブアレイアンテナに関して演算量を減少させる先行技術として、適応送信ダイバーシチアレイに用いられる送信信号と複素重み係数の乗算を行うベクトル乗算処理を、変調時の送信情報系列を振幅と位相で表される２次元の信号空間にマッピングする操作で行うことによって、アダプティブアレイアンテナの送信信号と複素重み係数の乗算処理を少ない処理量で動作させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３２０２８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、時分割マルチキャリア伝送方式において同一空間上に混在する信号を分離する際、マルチアンテナの受信により行列演算を行い、その値から信号成分と雑音成分（干渉波成分を含む）を推定する重み付けを行う。しかしながらその処理において、信号電力が雑音電力と比較して極めて高い場合は、アンテナ本数が多いほど行列演算によって生じる誤差（オーバーフロー、アンダーフロー）が大きくなる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、マルチアンテナ受信時において、高いレベルの信号を受信した際に、アンテナ本数を適応的に制限し、演算誤差を低減して、演算精度を高めることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、複数のアンテナエレメントを有するアレイアンテナの指向性を制御するアレイアンテナ制御装置において、該アンテナエレメントが受信した信号の信号強度を算出する受信信号強度演算手段と、前記算出された信号強度と雑音強度との相関を、行列演算により計算する相関演算手段と、前記相関演算手段による計算結果に基づいて、各アンテナエレメントに対する重み付けを演算し、受信信号を合成する受信制御手段と、前記受信信号強度演算手段で算出された信号強度が所定の閾値より大きいとき、相対的に大きな前記信号強度を与えるアンテナエレメントを抑制して、前記アンテナエレメントの数を論理的に減らすように前記行列演算を制御するアンテナ数変更手段と、を備えることを特徴とするアレイアンテナ制御装置。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記信号強度を調整する調整手段を更に備え、前記相関演算手段は、前記受信信号を正規化し、前記アンテナ数変更手段は、前記正規化された受信信号を相対的に比較し、相対的に大きな信号強度を与えるアンテナエレメントの選択して、前記アンテナエレメントの数を減らすように変更することを特徴とする。
【００１１】
第３の発明は、第１から第２の発明において、前記相関演算手段による計算結果に基づいて、前記受信信号の時間軸特性を補償するための係数を算出する時間補償手段、及び、前記受信信号の周波数特性を補償するための係数を算出する周波数補償手段、を更に備え、前記受信制御手段は、前記時間軸補償手段及び前記周波数補償手段によって算出された係数を用いて、前記受信信号を重み付けすることによって、前記受信信号から所望信号を抽出することを特徴とする。
【００１２】
第４の発明は、第１から第３の発明において、前記相関演算手段は、前記信号強度と雑音強度との行列を変化させることによって、受信信号の合成に使用するアンテナエレメントの数を変化させることを特徴とする。
【００１３】
第５の発明は、複数のアンテナエレメントを有するアレイアンテナの指向性を制御するアレイアンテナ制御方法であって、該アンテナエレメントが受信した信号の信号強度を算出するステップと、前記算出された信号強度と雑音強度との相関を、行列演算により計算するステップと、前記相関演算手段による計算結果に基づいて、各アンテナエレメントに対する重み付けを演算して、受信信号を合成するステップと、前記算出された信号強度が所定の閾値より大きいときに、相対的に大きな前記受信強度を与えるアンテナエレメントを抑制して、前記アンテナエレメントの数を論理的に減らすように前記行列演算を制御するステップと、を含むことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明のアンテナ制御装置のブロック図である。
【００１６】
無線信号を送受信するアンテナエレメント（Antenna１〜Ｍ）は複数（Ｍ本）設けられている。各アンテナエレメントには、無線部（RF Block）が接続されている。この無線部は、無線通信周波数帯域での無線信号を生成する無線手段と、該無線手段に変調周波数を提供する基準信号手段とによって構成されている。
【００１７】
無線部には、無線部から出力された受信信号を周波数変換するディジタル・ダウンサンプリング・コンバータ（ＤＤＣ）が接続されている。ＤＤＣから出力される受信信号は、合成制御手段（Path Control）を介してＤＳＰに入力される。
【００１８】
また、無線部には、無線部に入力される送信信号を周波数変換するディジタル・アップサンプリング・コンバータ（ＤＵＣ）が接続されている。ＤＵＣに入力される送信信号は、合成制御手段（Path Control）を介してＤＳＰから供給される。
【００１９】
合成制御手段（Path Control）は、分配器によって構成されており、受信信号強度演算手段（Power Combiner）及び受信制御手段（Rx Compensator）に受信信号を入力する。また、送信パラメータ生成手段（Tx Parametor）が生成した制御信号に基づいて送信信号合成手段（Tx Burst Builder）が生成したバースト信号を重み付けして各アンテナに分配する。
【００２０】
また、ＤＳＰには、図示を省略する中央演算装置（ＣＰＵ）が接続されている。ＣＰＵは、複数のＤＳＰとデータを交換し、高速データ伝送を実現するための制御をする。また、ＣＰＵは、ＤＳＰの他、ＤＵＣやＤＤＣの動作パラメータを設定し、無線制御をすることによって、本実施の形態のアレイアンテナ制御装置全体を制御する。
【００２１】
ＤＳＰは、ＤＤＣから出力される受信信号を時間分割し、周波数単位で信号処理を行う。すなわち、ＤＤＣから送出される所定のサンプリング時間で離散化された変調信号を受け取り、受信信号強度演算手段（Power Combiner）が一定区間（例えば、バースト信号中の参照信号）の信号強度（ＲＳＳＩ）を算出して、受信レベル調整手段（Power Combiner）が受信信号の信号強度（受信レベル）を調整する。相関演算手段（MxM Matrix Processing）は、受信信号から共分散を求めて、受信信号を正規化して、信号強度と雑音強度の相関を計算する。
【００２２】
アンテナ数変更手段（Array Position Controller）は、受信アンテナ本数を論理的に変更する。すなわち、受信レベルが高レベルであるとき、高レベル信号成分を排除した行列を生成して（図３（ｂ）参照）、行列演算時にオーバーフローやアンダーフローを発生させないようにして、相関演算手段に発生する誤差を軽減し、演算精度を高める。
【００２３】
周波数補償手段（Frequency Estimator）は、高レベル信号成分が除去された受信信号の周波数特性を補償するための補償係数を算出する。時間補償手段（Timing Estimator）は、高レベル信号成分が除去された受信信号の時間特性（時間軸のズレ）を補償するための補償係数を算出する。
【００２４】
受信制御手段（Rx Compensator）は、時間補償手段及び周波数補償手段によって算出された補償係数を用いて、受信信号の重み付けをすることによって、受信信号から所望信号を抽出する。また、受信制御手段は、バースト信号中に２箇所含まれる参照信号の差がなくなるように、受信信号を補正する。すなわち、バースト信号の最初と最後には同一内容の参照信号が設けられているところ、遅延や位相ズレによってバースト信号自体が伸び縮みすることによって参照信号に違いが生じるので、その差がなくなるようにバースト信号を補正して、受信信号の品質を改善する。
【００２５】
復調手段（Decoding）は、受信信号を復調する。論理回路（Physical to Logical）はＤＳＰからデータバスへデータを出力する。
【００２６】
また、ＤＳＰは送信系の機能も有している。論理回路（Physical to Logical）はデータバスからＤＳＰへデータを入力する。変調手段（Encoding）は、データバスから入力された信号を変調する。送信信号合成手段（Tx Burst Builder）は、変調信号を用いて送信用のバースト信号を生成する。
【００２７】
送信パラメータ生成手段（Tx Parametor）は、受信制御手段（Rx Compensator）が用いる補償係数に基づいて、送信信号の分配のための重み付け係数を生成する。
【００２８】
次に、本発明の実施の形態のアレイアンテナ制御装置の動作について説明する。
【００２９】
アンテナ（Antenna１〜Ｍ）が受信した信号は、無線部（RF Block）及びディジタル・ダウンサンプリング・コンバータ（ＤＤＣ）によって増幅、周波数変換等の無線周波数帯における処理がされる。そして、無線周波数帯における処理がなされた信号は合成制御手段（Path Control）を経由してＤＳＰに入力される。
【００３０】
ＤＳＰでは、受信信号強度演算手段（Power Combiner）が一定区間（例えば、バースト信号中の参照信号）の信号強度を算出し、相関演算手段（MxM Matrix Processing）が信号強度と雑音強度の相関を計算する。その行列演算結果に基づいて、アンテナ数変更手段（Array Position Controller）は、受信レベルが高い信号成分を排除して、受信アンテナの本数を論理的に減少させる。
【００３１】
そして、高レベル信号成分が除去された受信信号は、周波数補償手段（Frequency Estimator）によって周波数特性を補償するための補償係数が算出され、時間補償手段（Timing Estimator）によって時間特性（時間軸のズレ）を補償するための補償係数が算出される。そして、受信制御手段（Rx Compensator）は、算出された補償係数を用いた行列演算によって、受信信号の重み付けをして、所望信号を抽出する。
【００３２】
そして、抽出された信号は、復調手段（Decoding）で復調され、論理回路（Physical to Logical）を介してデータバスに出力される。
【００３３】
一方、データバスからＤＳＰに入力された送信信号は、論理回路（Physical to Logical）を介して変調手段（Encoding）に入力され、変調される。そして、送信信号合成手段（Tx Burst Builder）において送信用のバースト信号が生成され、合成制御手段（Path Control）において、送信パラメータ生成手段（Tx Parametor）が生成した重み付け係数を用いて重み付けされ、各アンテナに分配される。そして、ディジタル・アップサンプリング・コンバータ（ＤＵＣ）及び無線部（RF Block）によって増幅、周波数変換等の無線周波数帯における処理がされて、アンテナエレメント（Antenna１〜Ｍ）から放射される。
【００３４】
図２は、本発明の実施の形態のアレイアンテナ制御装置のフローチャートである。
【００３５】
まず、受信信号強度（ＲＳＳＩ）と所定の閾値δとを比較し、ＲＳＳＩが閾値δより大きいか否かを判定する（Ｓ１０１）。比較判定の結果、ＲＳＳＩが閾値δより大きくなければ、行列演算でオーバーフロー又はアンダーフロー等の誤差が生じる可能性が低いので、行列要素をマスクすることなく（アンテナ本数を制限することなく）、ステップＳ１０７に進み、重み付け演算をして（Ｓ１０７）、この処理を終了する。ここで、Ｌは、複数のアンテナから入力された信号の補正された行列のコレスキー因子である。
【００３６】
続いて、信号対干渉電力比のユーザ毎の最大値（Max(SINRu)）と所定の閾値γとを比較し、Max(SINRu)が閾値γより大きいか否かを判定する（Ｓ１０２）。比較判定の結果、Max(SINRu)が閾値γより大きくなければ、行列演算でオーバーフロー又はアンダーフロー等の誤差が生じる可能性が低いので、行列要素をマスクすることなく（アンテナ本数を制限することなく）、ステップＳ１０７に進み、重み付け演算をして（Ｓ１０７）、この処理を終了する。
【００３７】
続いて、ｎ（繰り返し回数）とアンテナ数Ｍとを比較し、ｎがＭより小さいか否かを判定する（Ｓ１０３）。比較判定の結果、ｎがＭより小さくなければ（ｎ≧Ｍであれば）、アンテナ本数に対応する回数の繰り返し処理が終了したと判定し、ステップＳ１０７に進み、重み付け演算をして（Ｓ１０７）、この処理を終了する。
【００３８】
続いて、コレスキー因子のＬ行列の対角要素であるtrace(Ｌ)ｎと所定の閾値αとを比較し、trace(Ｌ)ｎが閾値αより大きいか否かを判定する（Ｓ１０４）。比較判定の結果、trace(Ｌ)ｎが閾値αより大きければ、行列演算で誤差が生じる可能性が高いので、trace(Ｌ)ｎの値を”０”にする（Ｓ１０５）。すなわち、Ｌ行及びＬ列の行列要素を”０”にするようにマスクされた行列を生成して（アンテナ本数を制限して）、ステップＳ１０６に進む。一方、trace(Ｌ)ｎが閾値より大きくなければ、何も処理をせずにステップＳ１０６に進む。
【００３９】
そして、ｎ≧Ｍとなるまで、繰り返し回数ｎに”１”を加算して（Ｓ１０６）、ステップＳ１０３に戻り、Ｓ１０３〜Ｓ１０６の処理を繰り返す。
【００４０】
図３は、本発明の実施の形態のアレイアンテナ制御装置における行列演算の説明図である。この行列演算は、相関演算手段（MxM Matrix Processing）において実行される。
【００４１】
図３（ａ）は、高レベル信号成分をマスクする前の行列演算式を示す。ｗは受信重み付けベクトル、ｘはコレスキー因子の共分散行列、ｙは交差相関ベクトルである。
図３中、右辺の共分散行列（下三角行列と上三角行列）の積は相関演算手段（MxM Matrix Processing）において、信号強度と雑音強度との相関として演算される。また、共分散行列と交差相関ベクトルとの積は受信制御手段（Rx Compensator）において、重み付け演算として演算される。
【００４２】
図３（ｂ）は、高レベル信号成分をマスクした後の行列演算式を示す。第４行及び第４列の値が”０”となっており、行列演算に使用されておらず、マスクされている。
【００４３】
以上説明したように、本発明の実施の形態では、複数のアンテナエレメントによって受信された信号の信号強度を算出する受信信号強度演算手段（Power Combiner）と、算出された信号強度と雑音強度との相関を計算する相関演算手段（MxM Matrix Processing）と、各アンテナエレメントに対する重み付け演算をする受信制御手段（Rx Compensator）と、前記受信レベルが大きいときに、前記アンテナエレメントの数を論理的に変更するアンテナ数変更手段（Array Position Controller）を備えたので、信号の受信性能を保持し、リソースを有効に利用することができる。よって、受信状態を最適化することができ、通信品質の向上を図ることができる。また、一定の通信品質を保持することができ、データ伝送性能の向上を図ることができる。
【００４４】
また、アンテナ数変更手段は、大きな受信レベルを与えるアンテナエレメントからの受信信号を抑制して、アンテナエレメントの数を変更するので、演算精度の向上を図ることができる。
【００４５】
また、受信レベルを調整する受信レベル調整手段（Power Combiner）を備え、アンテナ数変更手段は、正規化された受信信号を相対的に比較し、大きな受信レベルを与えるアンテナエレメントを選択して、前記アンテナエレメントの数を変更するので、正規化された信号を相対比較することにより、大きな受信レベルと有するアンテナエレメントを容易に認識することができ、受信信号を抑制することができる。その結果、演算精度の向上を図ることができる。
【００４６】
また、受信信号の周波数特性を補償するための係数を算出する周波数補償手段（Frequency Estimator）と、受信信号の時間軸のズレを補償するための係数を算出する時間補償手段（Timing Estimator）と、周波数補償手段及び時間補償手段によって算出された係数を用いて、受信信号を重み付けすることによって、受信信号から所望信号を抽出する受信制御手段（Rx Compensator）と、を備えるので、時間補償、周波数補償によって、復元された受信信号の質を向上させることができる。
【００４７】
相関演算手段は、信号強度と雑音強度の行列を変化させることによって、受信信号の合成に使用するアンテナエレメントの数を変化させるので、行列の演算項目を減らすことができ、演算負荷を減少させることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、２本以上のマルチアンテナを用いて送受信を行う場合に、受信レベルが大きいとき、受信アンテナの数を論理的に制限することで、受信信号の行列演算器に発生する行列演算の誤差を削減し、信号の受信性能を保持し、リソースを有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のアレイアンテナ制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態のアレイアンテナ制御装置のフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態のアレイアンテナ制御装置における行列演算の説明図である。
【図４】従来のアレイアンテナ制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
Antenna アンテナ
RF Block 無線部
DDC ディジタル・ダウンサンプリング・コンバータ
DUC ディジタル・アップサンプリング・コンバータ
Path Control 合成制御手段
DSP ディジタル・シグナル・プロセッサ
Power Combiner 受信信号強度演算手段、受信レベル調整手段
MxM Matrix Processing 相関演算手段
Array Position Controller アンテナ数変更手段
Frequency Estimator 周波数補償手段
Timing Estimator 時間補償手段
Rx Compensator 受信制御手段
Decoding 復調手段
Physical to Logical 論理回路
Encoding 変調手段
Tx Burst Builder 送信信号合成手段
Tx Parametor 送信パラメータ生成手段

Claims (5)

1. 複数のアンテナエレメントを有するアレイアンテナの指向性を制御するアレイアンテナ制御装置において、
   該アンテナエレメントが受信した信号の信号強度を算出する受信信号強度演算手段と、
   前記算出された信号強度と雑音強度との相関を、行列演算により計算する相関演算手段と、
   前記相関演算手段による計算結果に基づいて、各アンテナエレメントに対する重み付けを演算し、受信信号を合成する受信制御手段と、
   前記受信信号強度演算手段で算出された信号強度が所定の閾値より大きいとき、相対的に大きな前記信号強度を与えるアンテナエレメントを抑制して、前記アンテナエレメントの数を論理的に減らすように前記行列演算を制御するアンテナ数変更手段と、を備える
   ことを特徴とするアレイアンテナ制御装置。
2. 前記信号強度を調整する調整手段を更に備え、
   前記相関演算手段は、前記受信信号を正規化し、
   前記アンテナ数変更手段は、前記正規化された受信信号を相対的に比較し、相対的に大きな信号強度を与えるアンテナエレメントを選択して、前記アンテナエレメントの数を減らすように変更することを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ制御装置。
3. 前記相関演算手段による計算結果に基づいて、前記受信信号の時間軸特性を補償するための係数を算出する時間補償手段、及び、前記受信信号の周波数特性を補償するための係数を算出する周波数補償手段、を更に備え、
   前記受信制御手段は、前記時間軸補償手段及び前記周波数補償手段によって算出された係数を用いて、前記受信信号を重み付けすることによって、前記受信信号から所望信号を抽出することを特徴とする請求項１または２に記載のアレイアンテナ制御装置。
4. 前記相関演算手段は、前記信号強度と雑音強度との行列を変化させることによって、受信信号の合成に使用するアンテナエレメントの数を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のアレイアンテナ制御装置。
5. 複数のアンテナエレメントを有するアレイアンテナの指向性を制御するアレイアンテナ制御方法であって、
   該アンテナエレメントが受信した信号の信号強度を算出するステップと、
   前記算出された信号強度と雑音強度との相関を、行列演算により計算するステップと、
   前記相関演算手段による計算結果に基づいて、各アンテナエレメントに対する重み付けを演算して、受信信号を合成するステップと、
   前記算出された信号強度が所定の閾値より大きいときに、相対的に大きな前記受信強度を与えるアンテナエレメントを抑制して、前記アンテナエレメントの数を論理的に減らすように前記行列演算を制御するステップと、を含む
   ことを特徴とするアレイアンテナ制御方法。

Images