JP4166401B2 - 受信の指向性制御方法及びアンテナ装置並びにこれを用いた移動体通信の基地局及び移動局 - Google Patents
受信の指向性制御方法及びアンテナ装置並びにこれを用いた移動体通信の基地局及び移動局 Download PDFInfo
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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て電波の到来方向と電力を推定し、その推定結果を基にアレーアンテナの指向性ビームを可変する指向性制御アンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、伝搬環境に応じてアンテナの指向性をダイナミックに変化させ通信品質や周波数利用効率の向上を図る技術として、アダプティブアレーなどに代表されるアレーアンテナとデジタル信号処理を用いたアンテナ指向性制御技術が注目されている。アダプティブアレーはアレーアンテナにおける受信の複素デジタル信号を解析することで、所望のアンテナ指向性が得られるようなアレー素子の複素重み係数を求めるように動作する。このとき解析アルゴリズムはある既知情報を基に複素重み係数を求めるのが一般的で、その既知情報のひとつとして考えられるが電波の到来方向である。仮に所望波と干渉波の到来方向が分かれば、所望波の方向にアレーアンテナの指向性のピークを向け、干渉波の方向にはヌルが向くような複素重み係数を求めれば良い。一方で送受信の周波数が異なる場合に受信信号のパイロット信号などを既知情報として重み係数を求めると送信時に所望のアンテナ指向性が得られない。しかし受信電波の到来方向を用いて送信時のアンテナ指向性制御を行えばこのような問題は生じない。
【０００３】
アレーアンテナの受信信号から電波の到来方向を高精度に推定する手法として、MUSIC（MUltiple Signal Classification）法に代表される固有空間法が上げられる。固有空間法は各アレー素子で受信信号から得られる共分散行列の固有ベクトルを利用する。また受信信号の到来方向を既知とした場合に信号と雑音の電力を推定する手法のひとつとして、CFE（Covariance Fit Estimator）法がある。CFE法はMUSIC法と同様にアレーアンテナの受信信号から計算される共分散行列を用いてその最適基準関数をもとにした信号と雑音電力の同時推定を行う。MUSIC法の詳細は、R.O.Schmidt, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Trans. AP-34, 3, 1986に、CFE法の詳細はH.A.D'assumpcao, "Some New Signal Processors for Arrays of Sensors", IEEE Trans. IT-26, 4, 1980にそれぞれ記載されている。
【０００４】
一方で、推定された受信電波の到来方向と信号電力を用いて、アレーアンテナの指向性が所望波の方向にはピークが干渉波の方向にはヌル点が向くように制御する代表的な手法として、DCMP（Directionally Constrained Minimization of Power）法がある。DCMP法は所望波の方向に対するアレーアンテナの応答ベクトルを拘束条件とし受信電力を最小化するアルゴリズムである。DCMP法の詳細は、K.Takao, M.Fujita, and T.Nishi, "An Adaptive Antenna Array under Directional Constraint", IEEE trans. AP-24, 5, 1976に掲載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
DCMP法を用いたアレーアンテナの指向性制御を行うとき、所望波と干渉波の到来方向の角度差が比較的大きい場合には所望波方向に指向性のピークが向き干渉波方向には指向性のヌルが形成される。しかしながら、所望波と干渉波の到来方向の角度差が小さくなると干渉波方向に強制的にヌルが形成されることにより所望波方向のピークレベルが下がる。そのため干渉波の受信信号電力が所望波の電力に比べて比較的小さくかつ所望波と干渉波の到来方向の角度差も小さいような場合は干渉波抑圧の効果よりも、所望波方向のピークレベルが下がることによる特性劣化の影響の方が大きくなる。このことは、所望波の信号電力が小さく受信の感度点付近にあるような条件において、単純にアレーアンテナで指向性のピークを所望波の方向に向けた場合とDCMP法を用いた場合とを、復調信号の誤り率特性を測定し比較することで確認できる。
【０００６】
本発明は、このようなDCMP法に代表されるヌル形成アルゴリズムを用いた場合に生じる所望波の受信電力の低下を防ぎ、所望波電力対干渉波電力比が大きい場合には単純にアレーアンテナの指向性のピークを所望波方向に向ける方式に切り替えることで感度特性を改善させることができる指向性制御アンテナ装置を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために本発明は、受信の指向性制御方法として、アレーアンテナにより受信された無線周波数信号の中間周波数信号またはベースバンド信号から推定された受信信号の方位と受信信号の電力を用いて、所望信号の方位と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとにビーム形成重み係数とヌル形成重み係数から最適な重み係数を選択し、選択された最適重み係数を用いて、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行うようにしたことを要旨とする。
【０００８】
かかる受信の指向性制御方法により、所望波と複数の干渉波が混在する環境において移動体通信を行なうに際し、所望波の受信電力の低下を防ぎ、所望波電力対干渉波電力比が大きい場合には単純にアレーアンテナの指向性のピークを所望波方向に向ける方式に切り替えることで感度特性を改善させることができる。
【０００９】
また、本発明の別の態様では、指向性制御アンテナ装置として、所望波と複数の干渉波が混在する環境における移動体通信の基地局または移動局において、複数個のアンテナをアレー素子として使用したアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アレー素子で受信された無線周波数信号を受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する受信周波数変換手段と、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号を用いて受信信号の方位と受信信号の電力を推定する方位電力推定手段と、前記方位電力推定手段によって推定された受信信号の方位と受信信号の電力から所望信号の方位を指定する所望信号指定手段と、前記所望信号の方位を入力とし前記所望信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のピークを向けるためのビーム形成重み係数を算出するビーム形成重み係数算出手段と、前記受信信号の方位と前記受信信号の電力および前記所望信号の方位を入力として、前記所望信号指定手段によって得られた所望信号の方位以外で前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位を干渉信号の方位とし、前記干渉信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のヌル点を向けるためのヌル形成重み係数を算出するヌル形成重み係数算出手段と、前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位と前記受信信号の電力を用い前記所望信号の方位と前記干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに前記ビーム形成重み係数と前記ヌル形成重み係数から最適重み係数を選択する重み係数選択手段と、前記重み係数選択手段によって選択された最適重み係数を用いて、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行う受信指向性合成手段を有する構成としたものである。かかる構成により、前記ヌル形成重み係数算出手段としてDCMPに代表されるようなヌル形成アルゴリズムを用いた場合に生じる所望信号の受信電力の低下を防ぎ、干渉信号の電力が所望信号に対して比較的小さい場合には単純にアレーアンテナの指向性のピークを所望信号の方位に向ける方式に切り替えることで特性を改善させ、通信品質を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、受信の指向性制御方法として、アレーアンテナにより受信された無線周波数信号の中間周波数信号またはベースバンド信号から推定された受信信号の方位と受信信号の電力を用いて、所望信号の方位と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとにビーム形成重み係数とヌル形成重み係数から最適な重み係数を選択し、選択された最適重み係数を用いて、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行うようにしたものであり、所望波と複数の干渉波が混在する環境において移動体通信を行なうに際し、所望波の受信電力の低下を防ぎ、所望波電力対干渉波電力比が大きい場合には単純にアレーアンテナの指向性のピークを所望波方向に向ける方式に切り替えることで感度特性を改善させるという作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の発明は、所望波と複数の干渉波が混在する環境における移動体通信の基地局または移動局において、複数個のアンテナをアレー素子として使用したアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アレー素子で受信された無線周波数信号を受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する受信周波数変換手段と、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号を用いて受信信号の方位と受信信号の電力を推定する方位電力推定手段と、前記方位電力推定手段によって推定された受信信号の方位と受信信号の電力から所望信号の方位を指定する所望信号指定手段と、前記所望信号の方位を入力とし前記所望信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のピークを向けるためのビーム形成重み係数を算出するビーム形成重み係数算出手段と、前記受信信号の方位と前記受信信号の電力および前記所望信号の方位を入力として、前記所望信号指定手段によって得られた所望信号の方位以外で前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位を干渉信号の方位とし、前記干渉信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のヌル点を向けるためのヌル形成重み係数を算出するヌル形成重み係数算出手段と、前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位と前記受信信号の電力を用い前記所望信号の方位と前記干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに前記ビーム形成重み係数と前記ヌル形成重み係数から最適重み係数を選択する重み係数選択手段と、前記重み係数選択手段によって選択された最適重み係数を用いて、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行う受信指向性合成手段を有することを特徴とし、受信信号の方位や受信信号の電力の情報を用いて算出された最適重み係数を用いて、ビーム形成重み係数算出手段から得られた結果とヌル形成重み係数算出手段から得られた結果とを、重み係数選択手段が状況に応じて選択することによって、通信環境に適した重み係数をアレーアンテナに適用することにより受信信号の特性を改善できる作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の発明は、前記ヌル形成重み係数算出手段は、前記所望信号指定手段において得られた所望信号の方位を拘束条件とし、前記方位電力推定手段において推定されたその他の受信信号の方位と電力を用いて前記アレーアンテナにおける受信電力が最小となるように重み係数を算出することを特徴とし、干渉信号の電力が所望信号の電力に比較して大きい場合でもヌル形成によって干渉波が抑圧されるため受信信号の特性を改善できる作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項４に記載の発明は、前記ビーム形成重み係数算出手段と前記ヌル形成重み係数算出手段および前記重み係数算出手段選択手段の代わりに、予め算出された重み係数を記憶した重み係数テーブルと、前記所望信号の方位と前記干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに最適重み係数を前記重み係数テーブルより選択参照する重み係数選択手段を有することを特徴とし、重み係数算出に必要な処理時間を短縮できる作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項５に記載の発明は、前記ヌル形成重み係数算出手段は、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号と前記方位電力推定手段において推定された方位および前記所望信号指定手段において得られた所望信号の方位を用いて前記アレーアンテナの重み係数を算出することを特徴とし、前記アレーアンテナの受信信号を用いることで干渉信号の方位に、より正確なヌル形成できる作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項６に記載の発明は、前記方位電力推定手段の代わりに、受信信号の方位を推定する方位推定手段と、前記方位推定手段とは別に受信信号の電力を推定する電力推定手段を有することを特徴とし、方位推定処理と電力推定処理を並列化することで処理を高速化することができる作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項７に記載の発明は、前記重み係数算出手段選択手段によって選択された最適重み係数を用いて送信の指向性合成を行う送信指向性合成手段と、送信の中間周波数信号またはベースバンド信号を前記無線周波数信号に変換する送信周波数変換手段を有することを特徴とし、受信時だけでなく送信時においても通信品質を向上させることができる作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項８に記載の発明は、移動体通信の基地局として請求項２記載の指向性制御アンテナ装置を用いたものであり、所望波と複数の干渉波が混在する環境において移動体通信を行なうに際し、所望波の受信電力の低下を防ぐという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項９に記載の発明は、移動体通信の移動局として請求項２記載の指向性制御アンテナ装置を用いたものであり、所望波と複数の干渉波が混在する環境において移動体通信を行なうに際し、所望波の受信電力の低下を防ぐという作用を有する。
【００１９】
以下、本発明に係る指向性制御アンテナ装置の種々の実施の形態について、図１から図８を参照して説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。この指向性制御アンテナ装置は、所望波と複数の干渉波が混在する環境における移動体通信の基地局または移動局に適用されるとより適しているものである。
【００２１】
図１において１は複数個のアンテナをアレー素子として使用するアレーアンテナ、２はアレーアンテナ１に用いられる複数のアレー素子、３は各アレー素子２で受信された無線周波数信号を受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する受信周波数変換手段、４は上記中間周波数信号またはベースバンド信号を用いて受信信号の方位と受信信号の電力を推定する方位電力推定手段、５は方位電力推定手段４によって推定された受信信号の方位と受信信号の電力から所望信号の方位を指定する所望信号指定手段、６は所望信号指定手段５から出力された所望信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のピークを向けるためのビーム形成重み係数を算出するビーム形成重み係数算出手段、７は受信信号の方位と、記受信信号の電力と、前記所望信号の方位とから干渉信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のヌル点を向けるためのヌル形成重み係数を算出するヌル形成重み係数算出手段、８は方位電力推定手段４によって推定された受信信号の方位と受信信号の電力を用い所望信号の方位と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに前記ビーム形成重み係数と前記ヌル形成重み係数から最適重み係数を選択する重み係数選択手段、９は重み係数選択手段８によって選択された最適重み係数を用いて、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行う受信指向性合成手段である。ヌル形成重み係数算出手段７は、受信信号の方位と前記受信信号の電力および前記所望信号の方位を入力として、前記所望信号指定手段によって得られた所望信号の方位以外で前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位を干渉信号の方位とし、前記干渉信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のヌル点を向けるためのヌル形成重み係数を算出する。
【００２２】
また、図１において、符号１０は受信の中間周波数信号またはベースバンド信号、１１は受信信号の方位、１２は受信信号の電力、１３は所望信号の方位、１４はビーム形成重み係数、１５はヌル形成重み係数、１６は最適重み係数である。図２はビーム形成重み係数算出手段６によって得られたビーム形成重み係数１４をもとに受信指向性合成手段９によって形成されるアレーアンテナ１の指向性パターンの例である。図３はヌル形成重み形成算出手段７によって得られたヌル形成重み係数１５をもとに受信指向性合成手段９によって形成されるアレーアンテナ１の指向性パターンの例である。図４（ａ）は図２および図３に示した指向性パターンを形成したときの実験による所望信号電力対干渉信号電力比に対する誤り率の測定結果である。図４（ｂ）は所望信号電力対干渉信号電力比に対する本装置の誤り率特性である。
【００２３】
以上のように構成された指向性制御アンテナ装置について、図１を用いて以下にその動作を説明する。M(M>1)個のアンテナをアレー素子２として用いたアレーアンテナ１により到来電波を受信する。受信周波数変換手段３は、アレーアンテナ１の各アレー素子２における受信の無線周波数を中間周波数信号またはベースバンド信号１０に変換する。方位電力推定手段４は、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号１０を用いて受信信号の方位１１とその方位に対する受信信号の電力１２を推定する。所望信号指定手段５は、方位電力推定手段４の方位と電力の推定結果をもとに所望信号の方位１３を指定する。ビーム形成重み係数算出手段６は、所望信号の方位１３を入力とし所望信号の方位１３にアレーアンテナ１の指向性のピークを向けるためのビーム形成重み係数１４を算出する。ヌル形成重み係数算出手段７は、受信信号の方位１１と受信信号の電力１２および所望信号の方位１３を入力として、所望信号の方位１３以外で方位電力推定手段４によって推定された受信信号の方位１１を干渉波信号の方位とし、この干渉信号の方位にアレーアンテナ１の指向性のヌル点を向けるためのヌル形成重み係数１５を算出する。重み係数算出手段選択手段８は、方位電力推定手段４によって推定された受信信号の方位１１と受信信号の電力１２を用いて所望信号と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとにビーム形成重み係数算出手段６とヌル形成重み係数算出手段７とを選択する。受信指向性合成手段９は、重み係数算選択手段８によって選択されたアレーアンテナの最適重み係数１６を用いて、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号１０に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行う。
【００２４】
次に、方位電力推定手段４について説明する。方位推定は例えばMUSIC法のような分解能に優れたアルゴリズムを用いることにより受信電波の到来方向を高精度に推定できる。MUSIC法は固有空間法と呼ばれアレーアンテナ１の受信信号から共分散行列を計算しその共分散行列の固有ベクトルを利用して到来方向を推定する。また受信信号の到来方向を既知とした場合に信号と雑音の電力を推定する手法のひとつとして、例えばCFE法がある。CFE法はMUSIC法と同様にアレーアンテナ１の受信信号から計算される共分散行列を用いてその最適基準関数をもとにした信号と雑音電力の同時推定を行う。共分散行列ＲXXは、Ｍ素子アレーアンテナ１の受信信号をＸとしたとき、
【００２５】
【数１】
となる。ここで、Ｘは各アレー素子２の受信信号を要素とするＭ行１列の行列、ＨはＸの複素共役転置、―は平均をそれぞれ示す。
【００２６】
次に、ヌル形成重み係数算出手段７について説明する。既知情報として方位電力推定手段４によって得られた受信信号の方位１１と受信信号の電力１２および所望信号指定手段５によって指定された所望信号の方位１３を用い、受信指向性合成手段９において得られるアレーアンテナ１の指向性パターンのヌルが干渉波の方位に向くようにヌル形成重み係数１６を算出する。このように受信信号の到来方位が既知である場合にはヌル形成アルゴリズムとしてDCMP法が適当である。DCMP法は所望信号の方位を拘束条件とし受信指向性合成手段９の出力が最小となるように動作する。DCMP法によって得られる重み係数ＷはＭ素子のアレーアンテナ１を用いた場合は次式で与えられる。だたし、ここではアレーアンテナ１として無指向特性を持つ各アレー素子２が素子間隔ｄで一直線上に配列された直線アレーアンテナを例にとり説明する。
【００２７】
【数２】
【００２８】
【数３】
ここで、Ｃは拘束行列、Ｈは拘束応答値、＊は複素共役を示す。このとき所望信号の数を１とし、所望信号の方位１３を拘束方向θ、到来電波の波長をλとすると拘束行列Ｃは、
【００２９】
【数４】
【００３０】
【数５】
で表される。ここでＴは転置を示す。また、所望信号の方位１３である拘束方向θに対するアレーアンテナ１の拘束応答値をとすると、
【００３１】
【数６】
となる。
【００３２】
次に、重み係数選択手段８について説明する。所望波と干渉波がそれぞれ１波存在する場合に、アレーアンテナ１を８素子の直線アレーアンテナとし、本発明請求項２記載の構成による指向性制御アンテナ装置を使用して受信信指向性合成を行った測定例を用いて説明する。方位電力手段４によって推定された所望波と干渉波の水平面内の方位１１はそれぞれ−１度と−８度であり、このときビーム形成重み係数算出手段６で算出されたビーム形成重み係数１４を用いて受信指向性合成手段９によって得られたアレーアンテナ１の指向性パターンを図２に示す。図２に示すように所望信号の方位１３に指向性のピークが向いている。同様にしてヌル形成重み係数算出手段７によって得られたアレーアンテナ１の指向性パターンを図３に示す。図３に示すように干渉信号の方位にヌル点が向けられている。ただし、ヌル形成アルゴリズムとしてDCMP法を使用した。図４（ａ）は、図２および図３に示した指向性パターンを用いて、所望信号の受信電力が実験装置の感度点＋３デシベルとなるように環境において干渉信号の受信電力を変化させたときの復調信号の誤り率特性を測定した結果である。ただし、ここでの感度点は誤り率が１Ｅ−４となる点とした。図４（ａ）は横軸が所望信号電力対干渉信号電力比、縦軸が誤り率であり、破線がビーム形成重み係数１４を用いた場合の特性、実線がヌル形成重み係数１５を用いた場合の特性を示している。図４（ａ）から所望信号電力対干渉信号電力比が比較的小さい範囲においてヌル形成重み係数１５を用いると誤り率特性が良いことがわかる。
【００３３】
しかしながら、所望信号電力対干渉信号電力比が約５デシベル以上になると誤り率は１Ｅ−３点付近からそれ以上改善されなくなる。この理由は、図３で示したアレーアンテナ１の指向性パターンが、所望信号の方位１３において図２に示したアレーアンテナ１の指向性パターンのピーク利得に対して約２デシベルほど下がっているためである。つまりDCMP法によるヌル形成を行うと干渉信号の方位に強制的にヌルが形成されるため、所望信号の方位１３と干渉信号の方位の角度差がアレーアンテナ１によって形成されるビーム幅より小さい場合には、所望信号の方位１３に対するアレーアンテナ１の利得が低下する。このような特性の劣下を防ぐため、例えば図４（ａ）において、ヌル形成重み係数１５を用いたときの誤り率の下限を１Ｅ−３点とし、ビーム形成重み係数１６を用いたときの破線が１Ｅ−３点を横切る点を所望信号電力対干渉信号電力比の閾値とする。図４ （ｂ）は、この閾値を用いてヌル形成重み係数１５とビーム形成重み係数１４を切り替えて選択した場合の所望信号電力対干渉信号電力比に対する誤り率特性であり、本発明の請求項２に記載の構成による指向性制御アンテナ装置の特性を示している。以上のように、所望信号の方位１３と干渉信号の方位の角度差から得られる本装置の所望信号電力対干渉信号電力比の閾値を予め算出し、ヌル形成重み係数１５とビーム形成重み係数１４を切り替えることで最適重み係数１６を選択することができる。
【００３４】
（実施の形態２）
図５は実施の形態２における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。図において、２１は重み係数テーブルである。以上のように構成された指向性制御アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。
【００３５】
本実施の形態で実施の形態１と異なるのは、ビーム形成重み係数算出手段６とヌル形成重み係数算出手段７の代わりに、重み係数選択手段８が予め算出された重み係数を記憶した重み係数テーブル２１を有する。重み係数選択手段５は、方位電力推定手段４によって推定された受信信号の方位１１と受信信号の電力１２および所望信号指定手段５によって得られた所望信号の方位１３を用いて、所望信号と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに最適重み係数１６を重み係数テーブル２１より選択参照することで、重み係数算出に必要な処理時間を短縮できる。
【００３６】
（実施の形態３）
図６は実施の形態３における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。以上のように構成された指向性制御アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。
【００３７】
本実施の形態で実施の形態１と異なるのは、ヌル形成重み係数算出手段７は、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号１０と方位電力推定手段４において推定された受信信号の方位１１および所望信号指定手段５において得られた所望信号の方位１３を用いてヌル形成重み係数１５を算出することを特徴とし、アレーアンテナ１の受信信号を用いることで干渉波方向により正確なヌル形成を行うことができる。
【００３８】
（実施の形態４）
図７は実施の形態４における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。図において、４１は方位推定手段、４２は電力推定手段である。以上のように構成された指向性制御アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。
【００３９】
本実施の形態で実施の形態１と異なるのは、方位電力推定手段４の代わりに、受信信号の方位を推定する方位推定手段４１と、この方位推定手段とは別に受信信号の電力を推定する電力推定手段４２を有するため、方位推定処理と電力推定処理を並列に行うことが可能となり処理を高速化することができる。
【００４０】
（実施の形態５）
図８は実施の形態５における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。５１は送信指向性合成手段、５２は送信周波数変換手段である。以上のように構成された指向性制御アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。
【００４１】
本実施の形態で実施の形態１と異なるのは、送信指向性合成手段５１は重み係数算出手段選択手段９によって選択された最適重み係数１６を用いて送信の指向性合成を行う。送信周波数変換手段５２は送信の中間周波数信号またはベースバンド信号５３を無線周波数信号に変換する。送信の指向性制御を行うことで受信時だけでなく送信時においても通信品質の向上させることができる。請求項７では送受信の無線周波数が同一であるとしているが、送信と受信で異なる周波数を用いる構成としても良い。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、DCMP法に代表されるヌル形成アルゴリズムを用いた場合に生じる所望信号の受信電力の低下を防ぎ、干渉信号の電力が所望信号に対して比較的小さい場合には単純にアレーアンテナの指向性のピークを所望波方向に向ける方式に切り替えることで感度特性を改善させ、通信品質の改善や低消費電力化などの効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【図２】実施の形態１におけるアレーアンテナの指向性パターン例を示す図
【図３】実施の形態１におけるアレーアンテナの指向性パターン例を示す図
【図４】実施の形態１におけるアレーアンテナの指向性パターンと誤り率特性の関係を示す図
【図５】実施の形態２における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【図６】実施の形態３における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【図７】実施の形態４における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【図８】実施の形態５における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１ アレーアンテナ
２ アレー素子
３ 受信周波数変換手段
４ 方位電力推定手段
５ 所望信号指定手段
６ ビーム形成重み係数算出手段
７ ヌル形成重み係数算出手段
８ 重み係数選択手段
９ 受信指向性合成手段
１０ 受信の中間周波数信号またはベースバンド信号
１１ 受信信号の方位
１２ 受信信号の電力
１３ 所望信号の方位
１４ ビーム形成重み係数
１５ ヌル形成重み係数
１６ 最適重み係数
２１ 重み係数テーブル
４１ 方位推定手段
４２ 電力推定手段
５１ 送信指向性合成手段
５２ 送信周波数変換手段
５３ 送信の中間数信号またはベースバンド信号
【発明の属する技術分野】
本発明はアレーアンテナを用いて電波の到来方向と電力を推定し、その推定結果を基にアレーアンテナの指向性ビームを可変する指向性制御アンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、伝搬環境に応じてアンテナの指向性をダイナミックに変化させ通信品質や周波数利用効率の向上を図る技術として、アダプティブアレーなどに代表されるアレーアンテナとデジタル信号処理を用いたアンテナ指向性制御技術が注目されている。アダプティブアレーはアレーアンテナにおける受信の複素デジタル信号を解析することで、所望のアンテナ指向性が得られるようなアレー素子の複素重み係数を求めるように動作する。このとき解析アルゴリズムはある既知情報を基に複素重み係数を求めるのが一般的で、その既知情報のひとつとして考えられるが電波の到来方向である。仮に所望波と干渉波の到来方向が分かれば、所望波の方向にアレーアンテナの指向性のピークを向け、干渉波の方向にはヌルが向くような複素重み係数を求めれば良い。一方で送受信の周波数が異なる場合に受信信号のパイロット信号などを既知情報として重み係数を求めると送信時に所望のアンテナ指向性が得られない。しかし受信電波の到来方向を用いて送信時のアンテナ指向性制御を行えばこのような問題は生じない。
【０００３】
アレーアンテナの受信信号から電波の到来方向を高精度に推定する手法として、MUSIC（MUltiple Signal Classification）法に代表される固有空間法が上げられる。固有空間法は各アレー素子で受信信号から得られる共分散行列の固有ベクトルを利用する。また受信信号の到来方向を既知とした場合に信号と雑音の電力を推定する手法のひとつとして、CFE（Covariance Fit Estimator）法がある。CFE法はMUSIC法と同様にアレーアンテナの受信信号から計算される共分散行列を用いてその最適基準関数をもとにした信号と雑音電力の同時推定を行う。MUSIC法の詳細は、R.O.Schmidt, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Trans. AP-34, 3, 1986に、CFE法の詳細はH.A.D'assumpcao, "Some New Signal Processors for Arrays of Sensors", IEEE Trans. IT-26, 4, 1980にそれぞれ記載されている。
【０００４】
一方で、推定された受信電波の到来方向と信号電力を用いて、アレーアンテナの指向性が所望波の方向にはピークが干渉波の方向にはヌル点が向くように制御する代表的な手法として、DCMP（Directionally Constrained Minimization of Power）法がある。DCMP法は所望波の方向に対するアレーアンテナの応答ベクトルを拘束条件とし受信電力を最小化するアルゴリズムである。DCMP法の詳細は、K.Takao, M.Fujita, and T.Nishi, "An Adaptive Antenna Array under Directional Constraint", IEEE trans. AP-24, 5, 1976に掲載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
DCMP法を用いたアレーアンテナの指向性制御を行うとき、所望波と干渉波の到来方向の角度差が比較的大きい場合には所望波方向に指向性のピークが向き干渉波方向には指向性のヌルが形成される。しかしながら、所望波と干渉波の到来方向の角度差が小さくなると干渉波方向に強制的にヌルが形成されることにより所望波方向のピークレベルが下がる。そのため干渉波の受信信号電力が所望波の電力に比べて比較的小さくかつ所望波と干渉波の到来方向の角度差も小さいような場合は干渉波抑圧の効果よりも、所望波方向のピークレベルが下がることによる特性劣化の影響の方が大きくなる。このことは、所望波の信号電力が小さく受信の感度点付近にあるような条件において、単純にアレーアンテナで指向性のピークを所望波の方向に向けた場合とDCMP法を用いた場合とを、復調信号の誤り率特性を測定し比較することで確認できる。
【０００６】
本発明は、このようなDCMP法に代表されるヌル形成アルゴリズムを用いた場合に生じる所望波の受信電力の低下を防ぎ、所望波電力対干渉波電力比が大きい場合には単純にアレーアンテナの指向性のピークを所望波方向に向ける方式に切り替えることで感度特性を改善させることができる指向性制御アンテナ装置を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために本発明は、受信の指向性制御方法として、アレーアンテナにより受信された無線周波数信号の中間周波数信号またはベースバンド信号から推定された受信信号の方位と受信信号の電力を用いて、所望信号の方位と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとにビーム形成重み係数とヌル形成重み係数から最適な重み係数を選択し、選択された最適重み係数を用いて、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行うようにしたことを要旨とする。
【０００８】
かかる受信の指向性制御方法により、所望波と複数の干渉波が混在する環境において移動体通信を行なうに際し、所望波の受信電力の低下を防ぎ、所望波電力対干渉波電力比が大きい場合には単純にアレーアンテナの指向性のピークを所望波方向に向ける方式に切り替えることで感度特性を改善させることができる。
【０００９】
また、本発明の別の態様では、指向性制御アンテナ装置として、所望波と複数の干渉波が混在する環境における移動体通信の基地局または移動局において、複数個のアンテナをアレー素子として使用したアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アレー素子で受信された無線周波数信号を受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する受信周波数変換手段と、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号を用いて受信信号の方位と受信信号の電力を推定する方位電力推定手段と、前記方位電力推定手段によって推定された受信信号の方位と受信信号の電力から所望信号の方位を指定する所望信号指定手段と、前記所望信号の方位を入力とし前記所望信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のピークを向けるためのビーム形成重み係数を算出するビーム形成重み係数算出手段と、前記受信信号の方位と前記受信信号の電力および前記所望信号の方位を入力として、前記所望信号指定手段によって得られた所望信号の方位以外で前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位を干渉信号の方位とし、前記干渉信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のヌル点を向けるためのヌル形成重み係数を算出するヌル形成重み係数算出手段と、前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位と前記受信信号の電力を用い前記所望信号の方位と前記干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに前記ビーム形成重み係数と前記ヌル形成重み係数から最適重み係数を選択する重み係数選択手段と、前記重み係数選択手段によって選択された最適重み係数を用いて、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行う受信指向性合成手段を有する構成としたものである。かかる構成により、前記ヌル形成重み係数算出手段としてDCMPに代表されるようなヌル形成アルゴリズムを用いた場合に生じる所望信号の受信電力の低下を防ぎ、干渉信号の電力が所望信号に対して比較的小さい場合には単純にアレーアンテナの指向性のピークを所望信号の方位に向ける方式に切り替えることで特性を改善させ、通信品質を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、受信の指向性制御方法として、アレーアンテナにより受信された無線周波数信号の中間周波数信号またはベースバンド信号から推定された受信信号の方位と受信信号の電力を用いて、所望信号の方位と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとにビーム形成重み係数とヌル形成重み係数から最適な重み係数を選択し、選択された最適重み係数を用いて、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行うようにしたものであり、所望波と複数の干渉波が混在する環境において移動体通信を行なうに際し、所望波の受信電力の低下を防ぎ、所望波電力対干渉波電力比が大きい場合には単純にアレーアンテナの指向性のピークを所望波方向に向ける方式に切り替えることで感度特性を改善させるという作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の発明は、所望波と複数の干渉波が混在する環境における移動体通信の基地局または移動局において、複数個のアンテナをアレー素子として使用したアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アレー素子で受信された無線周波数信号を受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する受信周波数変換手段と、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号を用いて受信信号の方位と受信信号の電力を推定する方位電力推定手段と、前記方位電力推定手段によって推定された受信信号の方位と受信信号の電力から所望信号の方位を指定する所望信号指定手段と、前記所望信号の方位を入力とし前記所望信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のピークを向けるためのビーム形成重み係数を算出するビーム形成重み係数算出手段と、前記受信信号の方位と前記受信信号の電力および前記所望信号の方位を入力として、前記所望信号指定手段によって得られた所望信号の方位以外で前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位を干渉信号の方位とし、前記干渉信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のヌル点を向けるためのヌル形成重み係数を算出するヌル形成重み係数算出手段と、前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位と前記受信信号の電力を用い前記所望信号の方位と前記干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに前記ビーム形成重み係数と前記ヌル形成重み係数から最適重み係数を選択する重み係数選択手段と、前記重み係数選択手段によって選択された最適重み係数を用いて、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行う受信指向性合成手段を有することを特徴とし、受信信号の方位や受信信号の電力の情報を用いて算出された最適重み係数を用いて、ビーム形成重み係数算出手段から得られた結果とヌル形成重み係数算出手段から得られた結果とを、重み係数選択手段が状況に応じて選択することによって、通信環境に適した重み係数をアレーアンテナに適用することにより受信信号の特性を改善できる作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の発明は、前記ヌル形成重み係数算出手段は、前記所望信号指定手段において得られた所望信号の方位を拘束条件とし、前記方位電力推定手段において推定されたその他の受信信号の方位と電力を用いて前記アレーアンテナにおける受信電力が最小となるように重み係数を算出することを特徴とし、干渉信号の電力が所望信号の電力に比較して大きい場合でもヌル形成によって干渉波が抑圧されるため受信信号の特性を改善できる作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項４に記載の発明は、前記ビーム形成重み係数算出手段と前記ヌル形成重み係数算出手段および前記重み係数算出手段選択手段の代わりに、予め算出された重み係数を記憶した重み係数テーブルと、前記所望信号の方位と前記干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに最適重み係数を前記重み係数テーブルより選択参照する重み係数選択手段を有することを特徴とし、重み係数算出に必要な処理時間を短縮できる作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項５に記載の発明は、前記ヌル形成重み係数算出手段は、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号と前記方位電力推定手段において推定された方位および前記所望信号指定手段において得られた所望信号の方位を用いて前記アレーアンテナの重み係数を算出することを特徴とし、前記アレーアンテナの受信信号を用いることで干渉信号の方位に、より正確なヌル形成できる作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項６に記載の発明は、前記方位電力推定手段の代わりに、受信信号の方位を推定する方位推定手段と、前記方位推定手段とは別に受信信号の電力を推定する電力推定手段を有することを特徴とし、方位推定処理と電力推定処理を並列化することで処理を高速化することができる作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項７に記載の発明は、前記重み係数算出手段選択手段によって選択された最適重み係数を用いて送信の指向性合成を行う送信指向性合成手段と、送信の中間周波数信号またはベースバンド信号を前記無線周波数信号に変換する送信周波数変換手段を有することを特徴とし、受信時だけでなく送信時においても通信品質を向上させることができる作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項８に記載の発明は、移動体通信の基地局として請求項２記載の指向性制御アンテナ装置を用いたものであり、所望波と複数の干渉波が混在する環境において移動体通信を行なうに際し、所望波の受信電力の低下を防ぐという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項９に記載の発明は、移動体通信の移動局として請求項２記載の指向性制御アンテナ装置を用いたものであり、所望波と複数の干渉波が混在する環境において移動体通信を行なうに際し、所望波の受信電力の低下を防ぐという作用を有する。
【００１９】
以下、本発明に係る指向性制御アンテナ装置の種々の実施の形態について、図１から図８を参照して説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。この指向性制御アンテナ装置は、所望波と複数の干渉波が混在する環境における移動体通信の基地局または移動局に適用されるとより適しているものである。
【００２１】
図１において１は複数個のアンテナをアレー素子として使用するアレーアンテナ、２はアレーアンテナ１に用いられる複数のアレー素子、３は各アレー素子２で受信された無線周波数信号を受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する受信周波数変換手段、４は上記中間周波数信号またはベースバンド信号を用いて受信信号の方位と受信信号の電力を推定する方位電力推定手段、５は方位電力推定手段４によって推定された受信信号の方位と受信信号の電力から所望信号の方位を指定する所望信号指定手段、６は所望信号指定手段５から出力された所望信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のピークを向けるためのビーム形成重み係数を算出するビーム形成重み係数算出手段、７は受信信号の方位と、記受信信号の電力と、前記所望信号の方位とから干渉信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のヌル点を向けるためのヌル形成重み係数を算出するヌル形成重み係数算出手段、８は方位電力推定手段４によって推定された受信信号の方位と受信信号の電力を用い所望信号の方位と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに前記ビーム形成重み係数と前記ヌル形成重み係数から最適重み係数を選択する重み係数選択手段、９は重み係数選択手段８によって選択された最適重み係数を用いて、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行う受信指向性合成手段である。ヌル形成重み係数算出手段７は、受信信号の方位と前記受信信号の電力および前記所望信号の方位を入力として、前記所望信号指定手段によって得られた所望信号の方位以外で前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位を干渉信号の方位とし、前記干渉信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のヌル点を向けるためのヌル形成重み係数を算出する。
【００２２】
また、図１において、符号１０は受信の中間周波数信号またはベースバンド信号、１１は受信信号の方位、１２は受信信号の電力、１３は所望信号の方位、１４はビーム形成重み係数、１５はヌル形成重み係数、１６は最適重み係数である。図２はビーム形成重み係数算出手段６によって得られたビーム形成重み係数１４をもとに受信指向性合成手段９によって形成されるアレーアンテナ１の指向性パターンの例である。図３はヌル形成重み形成算出手段７によって得られたヌル形成重み係数１５をもとに受信指向性合成手段９によって形成されるアレーアンテナ１の指向性パターンの例である。図４（ａ）は図２および図３に示した指向性パターンを形成したときの実験による所望信号電力対干渉信号電力比に対する誤り率の測定結果である。図４（ｂ）は所望信号電力対干渉信号電力比に対する本装置の誤り率特性である。
【００２３】
以上のように構成された指向性制御アンテナ装置について、図１を用いて以下にその動作を説明する。M(M>1)個のアンテナをアレー素子２として用いたアレーアンテナ１により到来電波を受信する。受信周波数変換手段３は、アレーアンテナ１の各アレー素子２における受信の無線周波数を中間周波数信号またはベースバンド信号１０に変換する。方位電力推定手段４は、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号１０を用いて受信信号の方位１１とその方位に対する受信信号の電力１２を推定する。所望信号指定手段５は、方位電力推定手段４の方位と電力の推定結果をもとに所望信号の方位１３を指定する。ビーム形成重み係数算出手段６は、所望信号の方位１３を入力とし所望信号の方位１３にアレーアンテナ１の指向性のピークを向けるためのビーム形成重み係数１４を算出する。ヌル形成重み係数算出手段７は、受信信号の方位１１と受信信号の電力１２および所望信号の方位１３を入力として、所望信号の方位１３以外で方位電力推定手段４によって推定された受信信号の方位１１を干渉波信号の方位とし、この干渉信号の方位にアレーアンテナ１の指向性のヌル点を向けるためのヌル形成重み係数１５を算出する。重み係数算出手段選択手段８は、方位電力推定手段４によって推定された受信信号の方位１１と受信信号の電力１２を用いて所望信号と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとにビーム形成重み係数算出手段６とヌル形成重み係数算出手段７とを選択する。受信指向性合成手段９は、重み係数算選択手段８によって選択されたアレーアンテナの最適重み係数１６を用いて、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号１０に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行う。
【００２４】
次に、方位電力推定手段４について説明する。方位推定は例えばMUSIC法のような分解能に優れたアルゴリズムを用いることにより受信電波の到来方向を高精度に推定できる。MUSIC法は固有空間法と呼ばれアレーアンテナ１の受信信号から共分散行列を計算しその共分散行列の固有ベクトルを利用して到来方向を推定する。また受信信号の到来方向を既知とした場合に信号と雑音の電力を推定する手法のひとつとして、例えばCFE法がある。CFE法はMUSIC法と同様にアレーアンテナ１の受信信号から計算される共分散行列を用いてその最適基準関数をもとにした信号と雑音電力の同時推定を行う。共分散行列ＲXXは、Ｍ素子アレーアンテナ１の受信信号をＸとしたとき、
【００２５】
【数１】
【００２６】
次に、ヌル形成重み係数算出手段７について説明する。既知情報として方位電力推定手段４によって得られた受信信号の方位１１と受信信号の電力１２および所望信号指定手段５によって指定された所望信号の方位１３を用い、受信指向性合成手段９において得られるアレーアンテナ１の指向性パターンのヌルが干渉波の方位に向くようにヌル形成重み係数１６を算出する。このように受信信号の到来方位が既知である場合にはヌル形成アルゴリズムとしてDCMP法が適当である。DCMP法は所望信号の方位を拘束条件とし受信指向性合成手段９の出力が最小となるように動作する。DCMP法によって得られる重み係数ＷはＭ素子のアレーアンテナ１を用いた場合は次式で与えられる。だたし、ここではアレーアンテナ１として無指向特性を持つ各アレー素子２が素子間隔ｄで一直線上に配列された直線アレーアンテナを例にとり説明する。
【００２７】
【数２】
【数３】
【００２９】
【数４】
【数５】
【００３１】
【数６】
【００３２】
次に、重み係数選択手段８について説明する。所望波と干渉波がそれぞれ１波存在する場合に、アレーアンテナ１を８素子の直線アレーアンテナとし、本発明請求項２記載の構成による指向性制御アンテナ装置を使用して受信信指向性合成を行った測定例を用いて説明する。方位電力手段４によって推定された所望波と干渉波の水平面内の方位１１はそれぞれ−１度と−８度であり、このときビーム形成重み係数算出手段６で算出されたビーム形成重み係数１４を用いて受信指向性合成手段９によって得られたアレーアンテナ１の指向性パターンを図２に示す。図２に示すように所望信号の方位１３に指向性のピークが向いている。同様にしてヌル形成重み係数算出手段７によって得られたアレーアンテナ１の指向性パターンを図３に示す。図３に示すように干渉信号の方位にヌル点が向けられている。ただし、ヌル形成アルゴリズムとしてDCMP法を使用した。図４（ａ）は、図２および図３に示した指向性パターンを用いて、所望信号の受信電力が実験装置の感度点＋３デシベルとなるように環境において干渉信号の受信電力を変化させたときの復調信号の誤り率特性を測定した結果である。ただし、ここでの感度点は誤り率が１Ｅ−４となる点とした。図４（ａ）は横軸が所望信号電力対干渉信号電力比、縦軸が誤り率であり、破線がビーム形成重み係数１４を用いた場合の特性、実線がヌル形成重み係数１５を用いた場合の特性を示している。図４（ａ）から所望信号電力対干渉信号電力比が比較的小さい範囲においてヌル形成重み係数１５を用いると誤り率特性が良いことがわかる。
【００３３】
しかしながら、所望信号電力対干渉信号電力比が約５デシベル以上になると誤り率は１Ｅ−３点付近からそれ以上改善されなくなる。この理由は、図３で示したアレーアンテナ１の指向性パターンが、所望信号の方位１３において図２に示したアレーアンテナ１の指向性パターンのピーク利得に対して約２デシベルほど下がっているためである。つまりDCMP法によるヌル形成を行うと干渉信号の方位に強制的にヌルが形成されるため、所望信号の方位１３と干渉信号の方位の角度差がアレーアンテナ１によって形成されるビーム幅より小さい場合には、所望信号の方位１３に対するアレーアンテナ１の利得が低下する。このような特性の劣下を防ぐため、例えば図４（ａ）において、ヌル形成重み係数１５を用いたときの誤り率の下限を１Ｅ−３点とし、ビーム形成重み係数１６を用いたときの破線が１Ｅ−３点を横切る点を所望信号電力対干渉信号電力比の閾値とする。図４ （ｂ）は、この閾値を用いてヌル形成重み係数１５とビーム形成重み係数１４を切り替えて選択した場合の所望信号電力対干渉信号電力比に対する誤り率特性であり、本発明の請求項２に記載の構成による指向性制御アンテナ装置の特性を示している。以上のように、所望信号の方位１３と干渉信号の方位の角度差から得られる本装置の所望信号電力対干渉信号電力比の閾値を予め算出し、ヌル形成重み係数１５とビーム形成重み係数１４を切り替えることで最適重み係数１６を選択することができる。
【００３４】
（実施の形態２）
図５は実施の形態２における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。図において、２１は重み係数テーブルである。以上のように構成された指向性制御アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。
【００３５】
本実施の形態で実施の形態１と異なるのは、ビーム形成重み係数算出手段６とヌル形成重み係数算出手段７の代わりに、重み係数選択手段８が予め算出された重み係数を記憶した重み係数テーブル２１を有する。重み係数選択手段５は、方位電力推定手段４によって推定された受信信号の方位１１と受信信号の電力１２および所望信号指定手段５によって得られた所望信号の方位１３を用いて、所望信号と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに最適重み係数１６を重み係数テーブル２１より選択参照することで、重み係数算出に必要な処理時間を短縮できる。
【００３６】
（実施の形態３）
図６は実施の形態３における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。以上のように構成された指向性制御アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。
【００３７】
本実施の形態で実施の形態１と異なるのは、ヌル形成重み係数算出手段７は、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号１０と方位電力推定手段４において推定された受信信号の方位１１および所望信号指定手段５において得られた所望信号の方位１３を用いてヌル形成重み係数１５を算出することを特徴とし、アレーアンテナ１の受信信号を用いることで干渉波方向により正確なヌル形成を行うことができる。
【００３８】
（実施の形態４）
図７は実施の形態４における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。図において、４１は方位推定手段、４２は電力推定手段である。以上のように構成された指向性制御アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。
【００３９】
本実施の形態で実施の形態１と異なるのは、方位電力推定手段４の代わりに、受信信号の方位を推定する方位推定手段４１と、この方位推定手段とは別に受信信号の電力を推定する電力推定手段４２を有するため、方位推定処理と電力推定処理を並列に行うことが可能となり処理を高速化することができる。
【００４０】
（実施の形態５）
図８は実施の形態５における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。５１は送信指向性合成手段、５２は送信周波数変換手段である。以上のように構成された指向性制御アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。
【００４１】
本実施の形態で実施の形態１と異なるのは、送信指向性合成手段５１は重み係数算出手段選択手段９によって選択された最適重み係数１６を用いて送信の指向性合成を行う。送信周波数変換手段５２は送信の中間周波数信号またはベースバンド信号５３を無線周波数信号に変換する。送信の指向性制御を行うことで受信時だけでなく送信時においても通信品質の向上させることができる。請求項７では送受信の無線周波数が同一であるとしているが、送信と受信で異なる周波数を用いる構成としても良い。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、DCMP法に代表されるヌル形成アルゴリズムを用いた場合に生じる所望信号の受信電力の低下を防ぎ、干渉信号の電力が所望信号に対して比較的小さい場合には単純にアレーアンテナの指向性のピークを所望波方向に向ける方式に切り替えることで感度特性を改善させ、通信品質の改善や低消費電力化などの効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【図２】実施の形態１におけるアレーアンテナの指向性パターン例を示す図
【図３】実施の形態１におけるアレーアンテナの指向性パターン例を示す図
【図４】実施の形態１におけるアレーアンテナの指向性パターンと誤り率特性の関係を示す図
【図５】実施の形態２における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【図６】実施の形態３における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【図７】実施の形態４における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【図８】実施の形態５における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１ アレーアンテナ
２ アレー素子
３ 受信周波数変換手段
４ 方位電力推定手段
５ 所望信号指定手段
６ ビーム形成重み係数算出手段
７ ヌル形成重み係数算出手段
８ 重み係数選択手段
９ 受信指向性合成手段
１０ 受信の中間周波数信号またはベースバンド信号
１１ 受信信号の方位
１２ 受信信号の電力
１３ 所望信号の方位
１４ ビーム形成重み係数
１５ ヌル形成重み係数
１６ 最適重み係数
２１ 重み係数テーブル
４１ 方位推定手段
４２ 電力推定手段
５１ 送信指向性合成手段
５２ 送信周波数変換手段
５３ 送信の中間数信号またはベースバンド信号
Claims (9)
- アレーアンテナにより受信された無線周波数信号の中間周波数信号またはベースバンド信号から推定された受信信号の方位と受信信号の電力を用いて、所望信号の方位と干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、
予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとにビーム形成重み係数とヌル形成重み係数から最適な重み係数を選択し、
選択された最適重み係数を用いて、受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行うようにしたことを特徴とする受信の指向性制御方法。 - 無線通信装置に設けられ複数個のアンテナをアレー素子として使用したアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アレー素子で受信された無線周波数信号を受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する受信周波数変換手段と、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号を用いて受信信号の方位と受信信号の電力を推定する方位電力推定手段と、前記方位電力推定手段によって推定された受信信号の方位と受信信号の電力から所望信号の方位を指定する所望信号指定手段と、前記所望信号の方位を入力とし前記所望信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のピークを向けるためのビーム形成重み係数を算出するビーム形成重み係数算出手段と、前記受信信号の方位と前記受信信号の電力および前記所望信号の方位を入力として、前記所望信号指定手段によって得られた所望信号の方位以外で前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位を干渉信号の方位とし、前記干渉信号の方位に前記アレーアンテナの指向性のヌル点を向けるためのヌル形成重み係数を算出するヌル形成重み係数算出手段と、前記方位電力推定手段によって推定された前記受信信号の方位と前記受信信号の電力を用い前記所望信号の方位と前記干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに前記ビーム形成重み係数と前記ヌル形成重み係数から最適重み係数を選択する重み係数選択手段と、前記重み係数選択手段によって選択された最適重み係数を用いて、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号に対して重み付け合成処理を行うことによって受信の指向性合成を行う受信指向性合成手段を有することを特徴とする指向性制御アンテナ装置。
- 前記ヌル形成重み係数算出手段は、前記所望信号指定手段において得られた所望信号の方位を拘束条件とし、前記方位電力推定手段において推定されたその他の受信信号の方位と電力を用いて前記アレーアンテナにおける受信電力が最小となるように重み係数を算出することを特徴とする請求項１記載の指向性制御アンテナ装置。
- 前記ビーム形成重み係数算出手段と前記ヌル形成重み係数算出手段および前記重み係数算出手段選択手段の代わりに、予め算出された重み係数を記憶した重み係数テーブルと、前記所望信号の方位と前記干渉信号の方位の角度差と所望信号電力に対する干渉信号電力の比を算出し、予め求めておいた角度差と電力比の閾値をもとに最適重み係数を前記重み係数テーブルより選択参照する重み係数選択手段を有することを特徴とする請求項１または２記載の指向性制御アンテナ装置。
- 前記ヌル形成重み係数算出手段は、前記受信の中間周波数信号またはベースバンド信号と前記方位電力推定手段において推定された方位および前記所望信号指定手段において得られた所望信号の方位を用いて前記アレーアンテナの重み係数を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の指向性制御アンテナ装置。
- 前記方位電力推定手段の代わりに、受信信号の方位を推定する方位推定手段と、前記方位推定手段とは別に受信信号の電力を推定する電力推定手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の指向性制御アンテナ装置。
- 前記重み係数算出手段選択手段によって選択された最適重み係数を用いて送信の指向性合成を行う送信指向性合成手段と、送信の中間周波数信号またはベースバンド信号を前記無線周波数信号に変換する送信周波数変換手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の指向性制御アンテナ装置。
- 請求項２記載の指向性制御アンテナ装置を用いた移動体通信の基地局。
- 請求項２記載の指向性制御アンテナ装置を用いた移動体通信の移動局。
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