JP4198570B2 - Adaptive antenna transmission apparatus and adaptive antenna transmission method - Google Patents

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Description

本発明は、適応アンテナを用いた無線通信システムに利用する。特に、適応アンテナの伝搬環境推定、フェージング補償用指向性制御に関する。   The present invention is used in a wireless communication system using an adaptive antenna. In particular, the present invention relates to propagation environment estimation of an adaptive antenna and directivity control for fading compensation.

適応アンテナは、希望する信号と相関の高い到来波を合波し、相関の低い到来波を抑圧するように指向性制御を行うアンテナである。以下に従来の適応アンテナ送信装置における指向性制御方法を示す。   An adaptive antenna is an antenna that performs directivity control so as to multiplex incoming waves having a high correlation with a desired signal and suppress incoming waves with a low correlation. The directivity control method in the conventional adaptive antenna transmission apparatus is shown below.

図6に下り通信の伝搬環境の推定を行わない従来の適応アンテナ送信装置における指向性制御方法を示す(例えば、非特許文献1参照)。従来の適応アンテナ装置は複数のアンテナ素子4011〜401Nと、各アンテナ素子の接続された複素重みを課す重み付け手段4021〜402Nと、各重み付け手段4021〜402Nの重みを制御する重み制御装置402と、基準信号発生装置404と、受信時には各アンテナ素子4011〜401Nに接続された複素重み付けをされた信号を合成し、送信時には重み付け手段4021〜402Nに入力信号を分岐するための合成および分岐装置405から構成される。   FIG. 6 shows a directivity control method in a conventional adaptive antenna transmission apparatus that does not estimate the propagation environment of downlink communication (see, for example, Non-Patent Document 1). The conventional adaptive antenna apparatus includes a plurality of antenna elements 4011 to 401N, weighting means 4021 to 402N for imposing complex weights connected to the antenna elements, weight control apparatus 402 for controlling the weight of each weighting means 4021 to 402N, From the reference signal generating device 404 and the combining and branching device 405 for synthesizing the complex weighted signals connected to the antenna elements 4011 to 401N at the time of reception and for branching the input signal to the weighting means 4021 to 402N at the time of transmission. Composed.

一般に適応アンテナ装置の複数のアンテナ素子4011〜401Nで受信された信号をx1〜xNとし、重み付け手段4021〜402Nに設定される重みの値をw1〜wNとし、希望信号成分をdと表すと、希望する信号との誤差の2乗が最小になるように指向性を形成する重みの値は、

Figure 0004198570

で与えられる。ただし、
Figure 0004198570

である。上り通信時の伝搬環境と下り通信時の伝搬環境がまったく同一とみなせる場合には、アンテナの相関行列Rxxおよび希望ユーザに対するステアリングベクトルrxdに変化が生じないため、上り通信時の重みの値を下り通信にもそのまま適用すれば、通信路の2乗誤差を最小とする指向性を形成することができる。したがって、上り通信と下り通信の伝搬環境がほぼ等しい場合には、単に複数のアンテナ素子で構成するアレーアンテナで構成すればよい。 Generally, when signals received by a plurality of antenna elements 4011 to 401N of an adaptive antenna apparatus are x1 to xN, weight values set in the weighting means 4021 to 402N are w1 to wN, and a desired signal component is represented as d. The value of the weight that forms the directivity so that the square of the error from the desired signal is minimized is
Figure 0004198570

Given in. However,
Figure 0004198570

It is. When the propagation environment during uplink communication and the propagation environment during downlink communication can be regarded as exactly the same, the antenna correlation matrix R xx and the steering vector r xd for the desired user do not change, so the value of the weight during uplink communication Is directly applied to downlink communication, directivity that minimizes the square error of the communication path can be formed. Therefore, when the propagation environments of uplink communication and downlink communication are almost equal, it may be configured by an array antenna configured by a plurality of antenna elements.

ところが上り通信と下り通信での周波数が異なるFDDシステムや、環境変動の大きい環境では、(式4)で定義したアンテナ間の相関行列Rxxを推定することができず、適応アンテナ送信装置における指向性制御法が動作しないという問題がある。   However, in an FDD system having different frequencies for uplink communication and downlink communication, or an environment with large environmental fluctuations, the correlation matrix Rxx defined between the antennas defined in (Equation 4) cannot be estimated, and the directivity in the adaptive antenna transmission apparatus There is a problem that the control method does not work.

下り通信において受信局で伝搬環境を推定し、伝搬環境の推定結果を送信局にフィードバックし、下り回線用の指向性形成を行う方法が提案されている(例えば、非特許文献2参照)。以下に、その動作を示す。   A method has been proposed in which a propagation environment is estimated at a receiving station in downlink communication, and a propagation environment estimation result is fed back to a transmitting station to form downlink directivity (for example, see Non-Patent Document 2). The operation is shown below.

下り通信では情報信号の間にプロービング信号を周期的に挿入して信号を伝送する。プロービング信号は送信局の各アンテナと受信局との間の伝達関数の推定に用いる。プロービング信号を伝送する区間では、各アンテナから異なったプロービング信号系列を送信する。ここで、各アンテナから送信するプロービング信号は、全受信局が既知の信号系列とする。受信局では受信信号に対して、各アンテナから送信する各プロービング信号との相関演算を行い、各アンテナのプロービング信号毎に複素相関値を求める。この複素相関値を上り通信において送信局にフィードバックし、適応アンテナの指向性形成に反映させる。この方法では、各アンテナのプロービング信号との相関値を受信局において求めることによって、送信局の各アンテナと受信局との間の伝搬環境を推定することができる。   In downlink communication, a signal is transmitted by periodically inserting a probing signal between information signals. The probing signal is used to estimate a transfer function between each antenna of the transmitting station and the receiving station. In a section in which a probing signal is transmitted, a different probing signal sequence is transmitted from each antenna. Here, the probing signal transmitted from each antenna is assumed to be a signal sequence known to all receiving stations. At the receiving station, the received signal is correlated with each probing signal transmitted from each antenna, and a complex correlation value is obtained for each probing signal of each antenna. This complex correlation value is fed back to the transmitting station in uplink communication and reflected in the formation of the directivity of the adaptive antenna. In this method, the propagation environment between each antenna of the transmitting station and the receiving station can be estimated by obtaining a correlation value with the probing signal of each antenna at the receiving station.

この方法を利用する場合には、各アンテナから異なった信号が送信されるため、ビーム形成を行うことができない。したがって、同一チャネルを利用する周辺セルに対して干渉を与えてしまうという問題がある。また、アンテナ素子数が増大すると、プロービング信号の信号系列長が長くなるため、スループットが低下するという問題が生じる。   When this method is used, since different signals are transmitted from the respective antennas, beam forming cannot be performed. Therefore, there is a problem of causing interference to neighboring cells that use the same channel. Further, when the number of antenna elements increases, the signal sequence length of the probing signal becomes longer, which causes a problem that the throughput decreases.

上り通信時に到来波の到来方向を推定し、推定結果から伝達関数を推定し、指向性を形成する方法が提案されている(例えば、非特許文献3参照)。周波数が上下通信で異なるFDDシステムにおいても到来波の到来方向は上下通信で変化しないことを利用し、到来方向情報のみから指向性形成を行っている。   There has been proposed a method of estimating the arrival direction of an incoming wave during uplink communication, estimating a transfer function from the estimation result, and forming directivity (for example, see Non-Patent Document 3). Even in FDD systems having different frequencies for up-and-down communication, the arrival direction of incoming waves does not change in up-and-down communication, and directivity is formed only from arrival direction information.

ただし、この方法は、ESPRITアルゴリズムなどの高精度分解能アルゴリズムを用いて正確に伝搬環境が推定されることを前提としている。ただし、実環境においては多数のマルチパス波が存在し、到来方向を正確に推定することは困難である。この方法は到来方向情報のみに基づいた指向性制御であるため、到来方向推定に誤差が生じると、伝送品質が著しく劣化するという問題がある。
R.A.MonzingoandT.W.Miller,Introduction to Adaptive Arrays,John Wiley & Sons,Inc.1980 DerlekGerlacha,ArlogyaswamiPaulraj,"Base Station Antenna Arrays with Mobile toBaseFeedback,"Conference Record of The Twenty-Seventh AsilomarConferenceon,1993 B.Lindmark,M.Ahlberg,M.Nilsson,andC.Beckman,"Performanceanalysis of applying up-link estimates in down-linkbeamforming using a dualpolarized array,"Vehicular TechnologyConferenceProceedings,2000.VTC2000-Spring Tokyo.2000IEEE 51st,Page(s):690-694vol.2,2000 VahidTarokh,et.al"Space-TimeCodes for High Data Rate WirelessCommunication:Performance Criterion and CodeConstruction",IEEETrans.Information Theory,Vol.44,No.2,MARCH,1998.
However, this method is based on the premise that the propagation environment is accurately estimated using a high-precision resolution algorithm such as the ESPRIT algorithm. However, in a real environment, there are a large number of multipath waves, and it is difficult to accurately estimate the direction of arrival. Since this method is directivity control based only on direction-of-arrival information, there is a problem that transmission quality significantly deteriorates when an error occurs in direction-of-arrival estimation.
RAMonzingoandT.W.Miller, Introduction to Adaptive Arrays, John Wiley & Sons, Inc. 1980 DerlekGerlacha, ArlogyaswamiPaulraj, "Base Station Antenna Arrays with Mobile toBaseFeedback," Conference Record of The Twenty-Seventh AsilomarConferenceon, 1993 B. Lindmark, M. Ahlberg, M. Nilsson, and C. Beckman, "Performance analysis of applying up-link estimates in down-link beamforming using a dualpolarized array," Vehicular Technology Conference Proceedings, 2000. VTC2000-Spring Tokyo. 2000 IEEE 51st, Page (s ): 690-694vol.2,2000 VahidTarokh, et.al "Space-TimeCodes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Code Construction", IEEE Trans. Information Theory, Vol. 44, No. 2, MARCH, 1998.

ディジタル無線伝送での下り通信における指向性制御では、送信局アンテナと受信局との間の伝達関数を推定する必要がある。ところが、伝達関数を推定するために、各アンテナから信号を送信すると、伝達関数推定時に指向性が形成できないため、伝送品質が劣化してしまうという問題があった。また、従来の伝達関数推定方法では送信局アンテナと受信局との間の伝達関数を推定するためには、予め定められた信号系列を送信する必要があるため、スループットが低下するという問題があった。また、到来方向を上り通信での受信信号から推定し、下り回線の伝達関数を推定する方法では、到来方向推定誤差が生じると伝送品質が著しく劣化するという問題があった。   In directivity control in downlink communication in digital wireless transmission, it is necessary to estimate a transfer function between a transmitting station antenna and a receiving station. However, if a signal is transmitted from each antenna in order to estimate the transfer function, there is a problem that transmission quality deteriorates because directivity cannot be formed when the transfer function is estimated. In addition, in the conventional transfer function estimation method, in order to estimate the transfer function between the transmitting station antenna and the receiving station, it is necessary to transmit a predetermined signal sequence. It was. In addition, in the method of estimating the arrival direction from the received signal in the uplink communication and estimating the downlink transfer function, there is a problem that the transmission quality is significantly deteriorated when the arrival direction estimation error occurs.

本発明は、このような背景に行われたものであって、1サンプルのデータから複数のビームを形成することにより、スループットの低下を伴わずに、伝搬環境推定誤差の影響を軽減することができる適応アンテナ送信装置および適応アンテナ送信方法を提供することを目的とする。   The present invention has been carried out against such a background. By forming a plurality of beams from one sample data, the influence of propagation environment estimation error can be reduced without reducing the throughput. It is an object of the present invention to provide an adaptive antenna transmission apparatus and an adaptive antenna transmission method that can be used.

本発明の第一の観点は、端末局への送信信号を入力信号とし、K個の出力信号を生成する符号化器と、この符号化器の出力信号を入力信号とし、アンテナ素子数と同数のM個の信号を出力するK個の指向性形成装置と、この指向性形成装置の指向性を制御する指向性制御装置と、K個の前記指向性形成装置のm番目の信号を合成するM個の合成手段と、この合成手段の出力信号を放射するM個のアンテナ素子とを備えた適応アンテナ送信装置である。   According to a first aspect of the present invention, an encoder that generates a K number of output signals using a transmission signal to a terminal station as an input signal, and an output signal of the encoder as an input signal, the same number as the number of antenna elements. The K directivity forming devices that output M signals, the directivity control device that controls the directivity of the directivity forming devices, and the m th signal of the K directivity forming devices are combined. This is an adaptive antenna transmission apparatus comprising M combining means and M antenna elements that radiate output signals of the combining means.

ここで、本発明の特徴とするところは、前記M個のアンテナ素子は、等間隔リニアアレーアンテナにより構成され、前記M個のアンテナ素子で受信された前記端末局から送信されたM個の受信信号を入力信号とし、このM個の受信信号に対して

Figure 0004198570

の変換を行う信号系列変換手段を備え、前記指向性制御装置は、前記r1〜rMおよびr′1〜r′Mに基づき指向性制御を行う手段を備えたところにある。 Here, a feature of the present invention is that the M antenna elements are configured by equally spaced linear array antennas, and M receptions transmitted from the terminal station received by the M antenna elements. Using the signal as an input signal, for these M received signals
Figure 0004198570

And a signal stream conversion means for converting, the directional control device, Ru near where comprising means for performing directivity control on the basis of the r 1 ~r M and r '1 ~r' M.

すなわち、Tシンボルの受信信号について(r1′,r2′,…,rM′)Tは(r1,r2,…,rM)Tに対して各到来波の位相がある変化をした場合の受信信号となる。したがって1サンプルの受信信号から、到来波の位相が変化した場合の2つの受信信号ベクトルを得ることができる。 That is, the received signal of the T symbol (r 1 ', r 2' , ..., r M ') T is (r 1, r 2, ... , r M) to change a phase of each incoming wave with respect to T In this case, it becomes a received signal. Therefore, two received signal vectors when the phase of the incoming wave changes can be obtained from the received signal of one sample.

これにより、これらのデータから複数のビームを形成することが可能となる。ビーム形成方法としては、例えば受信信号から到来方向推定のアルゴリズムを用いて到来方向推定を行い、推定結果の方向にピークを持つビームを形成し、信号系列変換手段の出力信号から到来方向推定のアルゴリズムを用いて到来方向推定を行い、推定結果の方向にピークを持つビームを形成する方法がある。   Thereby, a plurality of beams can be formed from these data. As the beam forming method, for example, the direction of arrival estimation is performed from the received signal using the direction of arrival estimation algorithm, a beam having a peak in the direction of the estimation result is formed, and the direction of arrival estimation algorithm from the output signal of the signal sequence conversion means There is a method of estimating the direction of arrival using, and forming a beam having a peak in the direction of the estimation result.

このように構成することによって、1サンプルのデータからも複数のビームを形成し、ダイバーシチ効果を得ることができる。この方法ではフィードバックを必要としないため、スループット特性は劣化しない。また、複数の異なる指向性パターン間で送信ダイバーシチを行うことができるため、到来方向推定がうまくいかないような多重波環境においても安定した伝送品質が得られる。送信ダイバーシチを行うための複数のビームを形成することができる。   By configuring in this way, a plurality of beams can be formed from data of one sample, and a diversity effect can be obtained. Since this method does not require feedback, the throughput characteristics do not deteriorate. In addition, since transmission diversity can be performed between a plurality of different directivity patterns, stable transmission quality can be obtained even in a multi-wave environment where arrival direction estimation is not successful. A plurality of beams for performing transmission diversity can be formed.

前記指向性形成装置は、入力信号をM個に分岐する分岐手段と、この分岐手段によって分岐されたM個の信号それぞれに重み付けを行うM個の重み付け手段とを備え、前記指向性制御装置は、

Figure 0004198570

の演算によって求められた相関行列Rの固有ベクトルのうち固有値の大きい方からK個の固有ベクトルを選択し、この固有ベクトルを前記重み付け手段に重み付け値として与える手段を備えることができる。 The directivity forming apparatus includes branching means for branching an input signal into M pieces, and M weighting means for weighting each of the M signals branched by the branching means, and the directivity control apparatus comprises: ,
Figure 0004198570

Select the K eigenvectors from the largest eigenvalues of the eigenvectors of the correlation matrix R obtained in the calculation, Ru can be provided with a means for providing the eigenvectors as a weighting value to the weighting means.

また、前記固有値の閾値を予め設定し、この閾値を超えた前記固有値の数によって前記符号化器の出力の信号数Kおよび前記指向性形成装置の数Kを決定する手段と、前記指向性形成装置における重み付け値を、前記閾値を超えた各固有値に対応した固有ベクトルとする手段とを備えることができる。 A means for determining a threshold value of the eigenvalue in advance and determining the number K of output signals of the encoder and the number K of the directivity forming devices according to the number of eigenvalues exceeding the threshold; the weighting values in the device, Ru can be provided with means for the eigenvector corresponding to each eigenvalue exceeds the threshold value.

このように、閾値を超えた固有値に対する固有ベクトルのみを用いれば、不要な方向に電波を放射させずにダイバーシチ効果を得ることができる。   Thus, if only eigenvectors for eigenvalues exceeding the threshold value are used, a diversity effect can be obtained without radiating radio waves in unnecessary directions.

また、前記M個のアンテナ素子は、等間隔リニアアレーアンテナに代えて複数のアンテナから構成されたサブアレーアンテナにより構成され、この各サブアレーアンテナのアンテナ配置は同一とすることもできる。 Further, the M antenna elements, instead of the equal interval linear array antenna is constituted by the sub-array antenna composed of a plurality of antennas, the antenna arrangement of each sub-array antenna Ru can also be the same.

本発明の第二の観点は、端末局への送信信号を入力信号とし、K個の出力信号を生成する符号化器と、この符号化器の出力信号を入力信号とし、アンテナ素子数と同数のM個の信号を出力するK個の指向性形成装置と、この指向性形成装置の指向性を制御する指向性制御装置と、K個の前記指向性形成装置のm番目の信号を合成するM個の合成手段と、この合成手段の出力信号を放射するM個のアンテナ素子とを備えた適応アンテナ送信装置に適用される適応アンテナ送信方法である。   According to a second aspect of the present invention, an encoder for generating K output signals using a transmission signal to a terminal station as an input signal, and an output signal of the encoder as an input signal, the same number as the number of antenna elements. The K directivity forming devices that output M signals, the directivity control device that controls the directivity of the directivity forming devices, and the m th signal of the K directivity forming devices are combined. This is an adaptive antenna transmission method applied to an adaptive antenna transmission apparatus provided with M combining means and M antenna elements that radiate output signals of the combining means.

ここで、本発明の特徴とするところは、前記M個のアンテナ素子を等間隔リニアアレーアンテナにより構成し、前記M個のアンテナ素子で受信された前記端末局から送信されたM個の受信信号を入力信号とし、このM個の受信信号に対して

Figure 0004198570

の変換を行い、前記指向性制御装置により、前記r1〜rMおよびr′1〜r′Mに基づき指向性制御を行うところにある。 Here, a feature of the present invention is that the M antenna elements are configured by an equally spaced linear array antenna, and M received signals transmitted from the terminal station received by the M antenna elements. For the M received signals
Figure 0004198570

It performs the conversion, by the directivity control unit, Ru near the place of performing directivity control on the basis of the r 1 ~r M and r '1 ~r' M.

前記指向性形成装置により、入力信号をM個に分岐し、この分岐されたM個の信号それぞれに重み付けを行い、前記指向性制御装置により、

Figure 0004198570

の演算によって求められた相関行列Rの固有ベクトルのうち固有値の大きい方からK個の固有ベクトルを選択し、この固有ベクトルを前記重み付けの際の重み付け値として与えることができる。 The directivity forming device branches the input signal into M signals, weights each of the branched M signals, and the directivity control device
Figure 0004198570

Select the K eigenvectors from the largest eigenvalues of the eigenvectors of the correlation matrix R obtained in the operation it might give the eigenvector as a weighted value when the weighting.

前記固有値の閾値を予め設定し、この閾値を超えた前記固有値の数によって前記符号化器の出力の信号数Kおよび前記指向性形成装置の数Kを決定し、前記指向性形成装置における重み付け値を、前記閾値を超えた各固有値に対応した固有ベクトルとすることができる。 A threshold value of the eigenvalue is set in advance, and the number K of output signals of the encoder and the number K of the directivity forming devices are determined based on the number of eigenvalues exceeding the threshold, and the weighting value in the directivity forming device and Ru can be eigenvectors corresponding to each eigenvalue exceeds the threshold value.

前記M個のアンテナ素子を等間隔リニアアレーアンテナに代えて複数のアンテナから構成されたサブアレーアンテナにより構成し、この各サブアレーアンテナのアンテナ配置は同一とすることもできる。 Wherein the M antenna elements in place at regular intervals linearly array antenna constituted by the sub-array antenna composed of a plurality of antennas, the antenna arrangement of each sub-array antenna Ru can also be the same.

本発明によれば、1サンプルのデータから複数のビームを形成することにより、スループットの低下を伴わずに、伝搬環境推定誤差の影響を軽減することができる。   According to the present invention, by forming a plurality of beams from data of one sample, it is possible to reduce the influence of propagation environment estimation error without reducing the throughput.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明第一の実施形態を示す図であり、入力信号系列と入力信号の複素共役値を用いて指向性制御を行う形態を示している。この図において符号101は符号化器、符号1021〜102Kは指向性形成装置、符号103は指向性制御装置、符号1041〜104Mは合成器、符号1051〜105Mはアンテナ素子、符号106は信号系列変換手段である。   FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention, and shows a form in which directivity control is performed using an input signal sequence and a complex conjugate value of an input signal. In this figure, reference numeral 101 is an encoder, reference numerals 1021 to 102K are directivity forming apparatuses, reference numeral 103 is a directivity control apparatus, reference numerals 1041 to 104M are combiners, reference numerals 1051 to 105M are antenna elements, and reference numeral 106 is a signal sequence conversion. Means.

端末局への送信信号はまず符号化器101にTシンボル毎に入力される。符号化器ではTシンボルの入力信号に対してT×Bシンボルの信号を生成する。ここでBはビーム数である。信号の生成方法としては、例えばSTCを用いることができる(例えば、非特許文献4参照)。符号化後の信号はシリアル−パラレル変換器によって、各ビームに対して送信信号が割り当てられ、各ビームから送信される。ここで各ビームは、指向性形成装置1021〜102Kによって形成される。以下に指向性形成装置で形成する指向性の決定方法を示す。   A transmission signal to the terminal station is first input to the encoder 101 for each T symbol. The encoder generates a T × B symbol signal for a T symbol input signal. Here, B is the number of beams. As a signal generation method, for example, STC can be used (for example, see Non-Patent Document 4). The encoded signal is transmitted from each beam by assigning a transmission signal to each beam by a serial-parallel converter. Here, each beam is formed by the directivity forming devices 1021 to 102K. The directivity determination method formed by the directivity forming apparatus will be described below.

指向性制御装置103では各アンテナ素子1051〜105Mで受信された受信信号r1〜rMと、符号106で受信信号を以下のように変換したr1′〜rM′を用いて制御が行われる。

Figure 0004198570
The directivity control apparatus 103 performs control using received signals r 1 to r M received by the antenna elements 1051 to 105M and r 1 ′ to r M ′ obtained by converting the received signals at 106 as follows. Is called.
Figure 0004198570

ここで等間隔のリニアアレーアンテナにL波の到来波が到来した場合には、アンテナmでの受信信号rmは以下の式で表される。

Figure 0004198570
Here, when an L-wave arrival wave arrives at an equally spaced linear array antenna, the received signal rm at the antenna m is expressed by the following equation.
Figure 0004198570

ここでAlは到来波1の振幅、φlは到来波1の位相、θlは到来波1の到来方向を表す。このとき受信信号の複素共役値は以下のように表すことができる。

Figure 0004198570
Here, A l represents the amplitude of the incoming wave 1, φ l represents the phase of the incoming wave 1, and θ l represents the arrival direction of the incoming wave 1. At this time, the complex conjugate value of the received signal can be expressed as follows.
Figure 0004198570

ここでm′はm′=M+1−mとし、φ1 は以下の式とした。

Figure 0004198570

(式6)と(式7)とを比較すると、到来方向に関する成分は等しく、到来位相の成分が変化していることが分かる。したがって(r1′,r2′,…,rM′)Tは(r1,r2,…,rM)Tに対して各到来波の位相がある変化をした場合の受信信号となる。したがって1サンプルの受信信号から、到来波の位相が変化した場合の2つの受信信号ベクトルを得ることができる。 Here, m ′ is m ′ = M + 1−m, and φ 1 is the following equation.
Figure 0004198570

Comparing (Equation 6) and (Equation 7), it can be seen that the components related to the arrival direction are equal and the component of the arrival phase changes. Therefore, (r 1 ′, r 2 ′,..., R M ′) T is a received signal when the phase of each incoming wave changes with respect to (r 1 , r 2 ,..., R M ) T. . Thus from one sample of the received signal, it is possible to obtain two reception signal vector when the phase of the incoming wave is changed.

したがって、これらのデータから複数のビームを形成することが可能となる。ビーム形成方法としては、例えば受信信号から到来方向推定のアルゴリズムを用いて到来方向推定を行い、推定結果の方向にピークを持つビーム1を形成し、信号系列変換手段106の出力信号から到来方向推定のアルゴリズムを用いて到来方向推定を行い、推定結果の方向にピークを持つビーム2を形成する方法がある。   Therefore, a plurality of beams can be formed from these data. As a beam forming method, for example, an arrival direction estimation is performed from a received signal using an arrival direction estimation algorithm, a beam 1 having a peak in the direction of the estimation result is formed, and an arrival direction is estimated from an output signal of the signal sequence conversion means 106. There is a method in which the direction of arrival is estimated using the above algorithm and a beam 2 having a peak in the direction of the estimation result is formed.

このように構成することによって、1サンプルのデータからも複数のビームを形成し、ダイバーシチ効果を得ることができる。この方法ではフィードバックを必要としないため、スループット特性は劣化しない。また、複数の異なる指向性パターン間で送信ダイバーシチを行うことができるため、到来方向推定がうまくいかないような多重波環境においても安定した伝送品質が得られる。   By configuring in this way, a plurality of beams can be formed from data of one sample, and a diversity effect can be obtained. Since this method does not require feedback, the throughput characteristics do not deteriorate. In addition, since transmission diversity can be performed between a plurality of different directivity patterns, stable transmission quality can be obtained even in a multi-wave environment where arrival direction estimation is not successful.

図2は本発明第二の実施形態における指向性形成装置103Kを示す図である。本実施形態では指向性形成を各アンテナへの信号に対する複素重み付けにより実現し、各重みの値を受信信号系列と信号系列変換手段とによって変換された受信信号系列から得られる固有ベクトルビームによって形成する。図中符号20k1は入力信号をM個に分岐する分岐手段、符号202K1〜202KMは複素重み付け手段である。指向性制御装置103では入力信号に対して以下の演算を行いアンテナ間の相関行列を求める。

Figure 0004198570
FIG. 2 is a diagram showing a directivity forming apparatus 103K in the second embodiment of the present invention. In this embodiment, directivity formation is realized by complex weighting for signals to each antenna, and each weight value is formed by an eigenvector beam obtained from the received signal sequence converted by the received signal sequence and the signal sequence converting means. In the figure, reference numeral 20k1 is a branching means for branching the input signal into M, and reference numerals 202K1 to 202KM are complex weighting means. The directivity control device 103 performs the following calculation on the input signal to obtain a correlation matrix between the antennas.
Figure 0004198570

次に相関行列Rの固有ベクトルのうち固有値の大きい方からK個の固有ベクトルを選択し、固有ベクトルを上記重み付け手段の重みの値として用いれば複数のビームを形成することができる。 Then select the K eigenvectors from the larger eigenvalues of the eigenvectors of the correlation matrix R, the eigenvectors Ru can form multiple beams be used as the value of the weights of the weighting means.

さらに、各固有値に対して閾値を設け、ある閾値以上の値となった数でKを決定し、閾値以上の値となった固有値に対応する固有ベクトルのみを用いれば、不要な方向に電波を放射させずにダイバーシチ効果を得ることができる。Kを決定する手段は、図示を省略したが、指向性制御装置103に備えておき、指向性形成装置1021〜102Kに対し、Kの値に応じていずれかの指向性形成装置に対してその動作を休止させるように指示してもよいし、あるいは、Kを決定する手段を図外に別途設けておき、指向性形成装置1021〜102Kに対し、Kの値に応じていずれかの指向性形成装置に対してその動作を休止させるように指示してもよい。 Furthermore, if a threshold value is provided for each eigenvalue, K is determined by the number of values equal to or greater than a certain threshold value, and only eigenvectors corresponding to eigenvalues greater than the threshold value are used, radio waves are emitted in unnecessary directions. let Ru it is possible to obtain a diversity effect without. The means for determining K is not shown in the figure, but is provided in the directivity control device 103, and the directivity forming devices 1021 to 102K are connected to any directivity forming device according to the value of K. The operation may be instructed to be paused, or a means for determining K may be separately provided outside the figure, and the directivity forming apparatuses 1021 to 102K may have any directivity depending on the value of K. The forming apparatus may be instructed to pause its operation.

また、図1に示した構成では、図3に示す等間隔リニアアレーアンテナ(4素子の例)を用いたが、これを図4に示すように、複数のアンテナから構成され、アンテナ配置が同一であるサブアレーアンテナ(3素子でサブアレーアンテナを構成した例)に置き換えることもできる。 Further, in the configuration shown in FIG. 1, the equally-spaced linear array antenna (an example of four elements) shown in FIG. 3 is used. However, as shown in FIG. 4, this is composed of a plurality of antennas and the antenna arrangement is the same. in a Ru can be replaced by a sub-array antennas (example in which the sub-array antenna with 3 elements).

図5に本発明の効果を示す。評価は以下のパラメータで行った。基地局のアンテナ素子数は8素子、提案方法でのビーム数は2ビーム、到来波は100波、到来方向の中心方向は0度とし、伝搬環境はフラットフェージングとした。基地局での角度広がりはラプラシアン分布するものとし、広がり角はパラメータとした。   FIG. 5 shows the effect of the present invention. Evaluation was performed with the following parameters. The number of antenna elements in the base station is 8, the number of beams in the proposed method is 2 beams, the incoming wave is 100 waves, the central direction of the arrival direction is 0 degree, and the propagation environment is flat fading. The angle spread at the base station is assumed to have a Laplacian distribution, and the spread angle is a parameter.

上り回線における各アンテナと基地局アンテナとの間の伝達関数は誤差なく推定できるものとし、上り回線と下り回線とでは角度広がりのみ同一とし、素波の到来方向、到来位相を独立に設定した。本発明の方法として、ここでは(式9)の相関行列の固有ベクトルのうち固有値の大きい方から2つ選択し、指向性を形成した。試行回数は10000回とした。   The transfer function between each antenna and the base station antenna in the uplink can be estimated without error, the angle spread is the same in the uplink and downlink, and the arrival direction and arrival phase of the elementary waves are set independently. As a method of the present invention, here, two of the eigenvectors of the correlation matrix of (Equation 9) having the larger eigenvalue are selected to form directivity. The number of trials was 10,000.

従来方法は、各アンテナで受信した信号の位相傾きから到来方向を推定し、推定した方向に等利得合成の指向性を形成するものとした。評価は角度広がり(図3の横軸)に対する受信レベル1%値(図3の縦軸)の特性で行った。従来方法では、角度広がりが増大するにつれて、ビーム方向以外のパスの電力が増大するため、受信レベル特性が劣化している。これに対して本発明は角度広がりが広がるにしたがってダイバーシチ効果が増大し、受信レベル特性が改善されている。特に10度の角度広がり環境で10dBの改善効果が得られている。   In the conventional method, the direction of arrival is estimated from the phase inclination of the signal received by each antenna, and equal gain combining directivity is formed in the estimated direction. The evaluation was performed with the characteristics of the reception level 1% value (vertical axis in FIG. 3) with respect to the angular spread (horizontal axis in FIG. 3). In the conventional method, as the angular spread increases, the power of the path other than the beam direction increases, so that the reception level characteristic deteriorates. In contrast, according to the present invention, the diversity effect increases as the angular spread increases, and the reception level characteristic is improved. In particular, an improvement effect of 10 dB is obtained in an environment with an angular spread of 10 degrees.

このように本発明では1サンプルデータからでもダイバーシチ効果の得られる複数のビームを形成することができる。したがってスループットの低下を伴わずに、伝搬環境推定誤差の影響を軽減し、良好な伝送品質を得ることができる。   As described above, in the present invention, a plurality of beams can be formed from which one can obtain a diversity effect even from one sample data. Therefore, it is possible to reduce the influence of the propagation environment estimation error without lowering the throughput and to obtain good transmission quality.

本発明によれば、1サンプルのデータから複数のビームを形成することにより、スループットの低下を伴わずに、伝搬環境推定誤差の影響を軽減することができるので、通信品質の劣化を軽減することができるため、端末局ユーザに対するサービス品質を向上させ、ユーザ勧誘の機会拡大に資することができる。   According to the present invention, by forming a plurality of beams from data of one sample, it is possible to reduce the influence of propagation environment estimation error without reducing the throughput, thereby reducing the deterioration of communication quality. Therefore, it is possible to improve the service quality for the terminal station user and contribute to the expansion of opportunities for user solicitation.

本発明第一実施形態の適応アンテナ送信装置の構成図。The block diagram of the adaptive antenna transmitter of 1st embodiment of this invention. 本発明第二実施形態の指向性形成装置の構成図。The block diagram of the directivity formation apparatus of 2nd embodiment of this invention. 等間隔リニアアレーアンテナの構成図。The block diagram of an equally-spaced linear array antenna. サブアレーアンテナの構成図。The block diagram of a subarray antenna. 本発明の効果を説明するための図。The figure for demonstrating the effect of this invention. 従来の適応アンテナ送信装置における指向性制御法を説明するための図。The figure for demonstrating the directivity control method in the conventional adaptive antenna transmitter.

符号の説明Explanation of symbols

101 符号化器
1021〜102K 指向性形成装置
103 指向性制御装置
1041〜104M 合成器
1051〜105M アンテナ素子
106 信号系列変換手段
20k1 分岐手段
202k1〜202kM 複素重み付け手段
301 伝搬環境推定誤差検出手段
4011〜401N アンテナ素子
4021〜402N 重み付け装置
402 重み制御装置
404 基準信号発生装置
405 合成および分岐装置
101 Encoders 1021 to 102K Directivity forming device 103 Directivity control devices 1041 to 104M Synthesizers 1051 to 105M Antenna element 106 Signal sequence conversion means 20k1 Branch means 202k1 to 202kM Complex weighting means 301 Propagation environment estimation error detection means 4011 to 401N Antenna elements 4021 to 402N Weighting device 402 Weight control device 404 Reference signal generating device 405 Combining and branching device

Claims (6)

端末局への送信信号を入力信号とし、K個の出力信号を生成する符号化器と、
この符号化器の出力信号を入力信号とし、アンテナ素子数と同数のM個の信号を出力するK個の指向性形成装置と、
この指向性形成装置の指向性を制御する指向性制御装置と、
K個の前記指向性形成装置のm番目の信号を合成するM個の合成手段と、
この合成手段の出力信号を放射するM個のアンテナ素子と
を備えた適応アンテナ送信装置において、
前記M個のアンテナ素子は、等間隔リニアアレーアンテナにより構成され、
前記M個のアンテナ素子で受信された前記端末局から送信されたM個の受信信号を入力信号とし、このM個の受信信号に対して
Figure 0004198570

の変換を行う信号系列変換手段を備え、
前記指向性制御装置は、前記r1〜rMおよびr′1〜r′Mに基づき指向性制御を行う手段を備え、
前記指向性形成装置は、
入力信号をM個に分岐する分岐手段と、
この分岐手段によって分岐されたM個の信号それぞれに重み付けを行うM個の重み付け手段と
を備え、
前記指向性制御装置は、
Figure 0004198570

の演算によって求められた相関行列Rの固有ベクトルのうち固有値の大きい方からK個の固有ベクトルを選択し、この固有ベクトルを前記重み付け手段に重み付け値として与える手段を備えた
ことを特徴とする適応アンテナ送信装置。
An encoder that takes a transmission signal to the terminal station as an input signal and generates K output signals;
K directivity forming devices that use the output signal of this encoder as an input signal and output M signals as many as the number of antenna elements;
A directivity control device for controlling the directivity of the directivity forming device;
M combining means for combining the m-th signals of the K directivity forming devices;
In an adaptive antenna transmission apparatus comprising M antenna elements that radiate output signals of the combining means,
The M antenna elements are configured by equally spaced linear array antennas,
M received signals transmitted from the terminal station received by the M antenna elements are used as input signals, and the M received signals are
Figure 0004198570

Comprising a signal series conversion means for converting
The directivity control apparatus comprises means for performing directivity control on the basis of the r 1 ~r M and r '1 ~r' M,
The directivity forming device is:
Branching means for branching the input signal into M pieces;
M weighting means for weighting each of the M signals branched by the branching means;
With
The directivity control device includes:
Figure 0004198570

An adaptive antenna transmitting apparatus comprising: means for selecting K eigenvectors having the largest eigenvalue among eigenvectors of the correlation matrix R obtained by the calculation of and providing the eigenvector as a weighting value to the weighting means .
前記固有値の閾値を予め設定し、この閾値を超えた前記固有値の数によって前記符号化器の出力の信号数Kおよび前記指向性形成装置の数Kを決定する手段と、
前記指向性形成装置における重み付け値を、前記閾値を超えた各固有値に対応した固有ベクトルとする手段と
を備えた請求項1記載の適応アンテナ送信装置。
Means for presetting a threshold value of the eigenvalue, and determining the number K of signals output from the encoder and the number K of directivity forming devices according to the number of eigenvalues exceeding the threshold value;
The adaptive antenna transmission apparatus according to claim 1, further comprising: means for setting a weighting value in the directivity forming apparatus to an eigenvector corresponding to each eigenvalue exceeding the threshold value.
前記M個のアンテナ素子は、等間隔リニアアレーアンテナに代えて複数のアンテナから構成されたサブアレーアンテナにより構成され、この各サブアレーアンテナのアンテナ配置は同一とする請求項1または2記載の適応アンテナ送信装置。   3. The adaptive antenna transmission according to claim 1, wherein the M antenna elements are configured by subarray antennas configured by a plurality of antennas instead of the equally spaced linear array antennas, and the antenna arrangement of each of the subarray antennas is the same. apparatus. 端末局への送信信号を入力信号とし、K個の出力信号を生成する符号化器と、
この符号化器の出力信号を入力信号とし、アンテナ素子数と同数のM個の信号を出力するK個の指向性形成装置と、
この指向性形成装置の指向性を制御する指向性制御装置と、
K個の前記指向性形成装置のm番目の信号を合成するM個の合成手段と、
この合成手段の出力信号を放射するM個のアンテナ素子と
を備えた適応アンテナ送信装置に適用される適応アンテナ送信方法において、
前記M個のアンテナ素子を等間隔リニアアレーアンテナにより構成し、
前記M個のアンテナ素子で受信された前記端末局から送信されたM個の受信信号を入力信号とし、このM個の受信信号に対して
Figure 0004198570

の変換を行い、
前記指向性制御装置により、前記r1〜rMおよびr′1〜r′Mに基づき指向性制御を行い、
前記指向性形成装置により、入力信号をM個に分岐し、この分岐されたM個の信号それぞれに重み付けを行い、
前記指向性制御装置により、
Figure 0004198570

の演算によって求められた相関行列Rの固有ベクトルのうち固有値の大きい方からK個の固有ベクトルを選択し、この固有ベクトルを前記重み付けの際の重み付け値として与える
ことを特徴とする適応アンテナ送信方法。
An encoder that takes a transmission signal to the terminal station as an input signal and generates K output signals;
K directivity forming devices that use the output signal of this encoder as an input signal and output M signals as many as the number of antenna elements;
A directivity control device for controlling the directivity of the directivity forming device;
M combining means for combining the m-th signals of the K directivity forming devices;
In an adaptive antenna transmission method applied to an adaptive antenna transmission apparatus comprising M antenna elements that radiate output signals of the combining means,
The M antenna elements are constituted by equally spaced linear array antennas,
M received signals transmitted from the terminal station received by the M antenna elements are used as input signals, and the M received signals are
Figure 0004198570

Conversion
By the directivity control unit, it has rows directivity control based on the r 1 ~r M and r '1 ~r' M,
The directivity forming device branches the input signal into M signals, weights each of the branched M signals,
By the directivity control device,
Figure 0004198570

An adaptive antenna transmission method characterized in that K eigenvectors are selected from the eigenvectors of the correlation matrix R obtained by the above calculation from the eigenvectors having the larger eigenvalues, and these eigenvectors are given as weighting values in the weighting .
前記固有値の閾値を予め設定し、この閾値を超えた前記固有値の数によって前記符号化器の出力の信号数Kおよび前記指向性形成装置の数Kを決定し、
前記指向性形成装置における重み付け値を、前記閾値を超えた各固有値に対応した固有ベクトルとする
請求項4記載の適応アンテナ送信方法。
Predetermining a threshold value of the eigenvalue, and determining the number K of signals output from the encoder and the number K of directivity forming devices according to the number of eigenvalues exceeding the threshold value,
The adaptive antenna transmission method according to claim 4, wherein the weighting value in the directivity forming device is an eigenvector corresponding to each eigenvalue exceeding the threshold.
前記M個のアンテナ素子を等間隔リニアアレーアンテナに代えて複数のアンテナから構成されたサブアレーアンテナにより構成し、この各サブアレーアンテナのアンテナ配置は同一とする請求項4または5に記載の適応アンテナ送信方法。   6. The adaptive antenna transmission according to claim 4 or 5, wherein the M antenna elements are configured by subarray antennas including a plurality of antennas instead of the equally spaced linear array antennas, and the antenna arrangement of each of the subarray antennas is the same. Method.
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