JP4219490B2

JP4219490B2 - 受信方法および受信装置

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Publication number: JP4219490B2
Application number: JP16053599A
Authority: JP
Inventors: 秀史村田; 正俊永安; 和俊津田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2019-06-08
Also published as: JP2000349696A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信全般において問題となる干渉波除去のために、アダプティプアレーアンテナと重み付け係数（タップ係数）の初期値決定方法とを組み合わせた受信方法および受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディジタル無線通信において、高速伝送を行うような場合、多重遅延波（マルチパス）や希望波以外の妨害波（これらを干渉波と呼ぶ）によって、伝送特性が劣化してしまう。これらの干渉波除去方法の代表として、従来からアダプティブアレーアンテナが用いられている。
【０００３】
このアダプティブアレーアンテナは、その構成例を図６に示されるように、空間的に離して配置した複数のアンテナ素子＃１，＃２〜＃Ｎで構成され、各素子＃１，＃２〜＃Ｎで受信される伝搬パス毎の信号位相が、到来方向と素子配置から決まる経路差に対して異なることを利用してアンテナ指向特性を制御する。
【０００４】
アダプテイブアレーの指向性制御法としては、様々な手法がある。一般的には、各アンテナ素子＃１，＃２〜＃Ｎで受信された信号ｘ１（ｔ）、ｘ２（ｔ）〜ｘＮ（ｔ）と各タップ係数ｗ１〜ｗＮとの積を加算器Ａ１で加算してアレー出力ｙ（ｔ）を得、このアレー出力ｙ（ｔ）と受信希望波の参照信号との平均２乗誤差が最小となるような適応アルゴリズムを用いてアレーの重み付け係数（タップ係数）ｗ１〜ｗＮを制御する。これにより、アダプティブアレーアンテナの指向性のヌル点を干渉波方向に向けることで、干渉波を抑圧する。
【０００５】
ＴＤＭＡシステムのようなバーストモード伝送において、受信信号から送信データを再生するためには、搬送波同期ワード、シンボルタイミング同期ワード、フレーム同期ワードで構成されるプレアンブルを情報シンボルの前に置き、これらを用いてこの順でそれぞれの同期を確立し、その後情報シンボルを復調する。結果的にＳＩＮＲ（信号対干渉雑音比）を最大にするように適応的にアレーの重みを変えるアダプティブアレーアンテナにおいては、アレーの重みを適応的に更新する前に、まず、各同期を確立する必要がある。同期が確立されることを同期が引き込まれるとも言い、同期が確立しない状況を同期はずれと言う。
【０００６】
一般に、干渉波が強い場合、同期引き込みができないし、また同期していても同期はずれが生じやすくなる。従来の方式では、基準アレーアンテナ１素子のみを用いているため、同期の確立にはＳＩＮＲが良くなるのを待つしかなかった。さらに、適応アルゴリズムは同期の回復が行われないと動作が行われない。
【０００７】
また、アダプティブアレーアンテナに用いられるウエイト決定アルゴリズムには様々あり、適用する環境や利用形態などによって、収束特性や計算量など相反するパラメータをうまく考慮して、どれを用いるか決めなければならない。例えばＲＬＳ（Recursive Least Squares）アダプテイブアレーは、収束速度が速い反面、その計算量が大きいため、リアルタイムな瞬時変動などには対応しきれない場面も起こり得る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
通常の無線通信を行う空間には干渉波が多数存在する。ある干渉波が希望波よりも強いときには、同期引き込みができないまたは同期はずれが発生してしまう可能性がある。従来方式では、基準アンテナ１素子のみを用いていたので、干渉波も希望波も同時に受信してしまい、ＳＩＲが良くならないと同期の回復ができず、同期の確立にはＳＩＮＲが良くなるのを待つしかなかった。
【０００９】
また、アダプテイブアレーの適応アルゴリズムの収束に、多くの計算量と、長い時間を要し、リアルタイムな瞬時変動などに対応しきれない問題があった。
【００１０】
本発明は、アダプティブアレーアンテナを用いた受信方法および受信装置において、希望波より干渉波が強い状態でも同期の確立を可能にするとともに、収束特性を改善することを、目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の受信方法は、アダプティブアレーアンテナを用いた受信方法において、受信信号中の受信希望波への同期の引き込みができないときに、アダプティブアレーアンテナの２つのアンテナ素子の受信信号の相関から固有ベクトルの一対の成分を求め、この固有ベクトルの一対の成分に基づいて、アダプティブアレーアンテナの各アンテナ素子の初期重み付け係数を決定することを特徴とする。
【００１２】
請求項２の受信装置は、アダプティブアレーアンテナを用いた受信装置において、アダプティブアレーアンテナの各アンテナ素子の受信信号と各重み付け係数とを乗算し、加算して出力信号を発生するとともに、アダプティブアレーアンテナの指向特性が干渉波の方向にヌルとなるように前記重み付け係数を適応アルゴリズムにしたがって調整するアダプティブアレー制御手段と、このアダプティブアレー制御手段の出力信号から受信信号中の受信希望波への同期がとれているかどうかを検出する同期検出器と、アダプティブアレーアンテナの内の２つのアンテナ素子の受信信号を入力し、前記同期検出器からの同期はずれ検出信号に応じて、前記２つのアンテナ素子の受信信号の相関から固有ベクトルの一対の成分を求め、この固有ベクトルの一対の成分に基づいて前記アダプティブアレー制御手段の前記重み付け係数の初期重み付け係数を出力する演算手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の受信装置は、請求項２のアダプティブアレーアンテナを用いた受信装置において、前記２つのアンテナ素子の受信信号の相関から求めた固有ベクトルの一対の成分を、２つのアンテナ素子の初期重み付け係数とすることを特徴とする。
【００１４】
本発明の構成によれば、アダプティブアレーアンテナを用いた受信方法および受信装置において、同期はずれが発生し、同期引き込みができないときに、２つのアンテナ素子の受信信号の相関から求めた固有ベクトルの一対の成分に基づいて、各アンテナ素子の初期重み付け係数を決定するから、これにより干渉波方向にアダプティブアレーアンテナのビームのヌル点を向けることになり、干渉波の影響を減少させ、希望波より干渉波が強い状態でも同期の確立を可能にする。
【００１５】
この際に、２素子アレーから求める相関行列の固有値と固有ベクトルは、比較的簡単に求めることができ計算量は少なく抑えることができる。さらに、このタップ係数を適応アルゴリズムの初期値とすることで、収束特性を改善することができる。
【００１６】
また、固有ベクトルの一対の成分に基づいて各アンテナ素子の初期重み付け係数を決定する場合に、固有ベクトルの一対の成分を直ちに、２つのアンテナ素子の初期重み付け係数とすることにより、各アンテナ素子の初期重み付け係数の決定がより容易になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について、まず、図１ないし図３を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施例に係るアダプティブアレーアンテナを用いた受信装置の構成図を示している。この図において、アダプティブアレーアンテナは、空間的に離して配置した複数のアンテナ素子＃１，＃２〜＃Ｎで構成され、各素子＃１，＃２〜＃Ｎで受信される伝搬パス毎の受信信号ｘ１（ｔ）、ｘ２（ｔ）〜ｘＮ（ｔ）がアダプティブアレー制御手段１０に入力される。アダプティブアレー制御手段１０は、各受信信号ｘ１（ｔ）、ｘ２（ｔ）〜ｘＮ（ｔ）と適応アルゴリズム手段１１からの各重み付け係数ｗ１〜ｗＮとを乗算する乗算器Ｍ１〜Ｍ３と、乗算器Ｍ１〜Ｍ３の乗算結果を加算し出力信号ｙ（ｔ）を出力する加算器Ａ１と、加算器Ａ１の出力信号ｙ（ｔ）と受信希望波の参照信号との平均２乗誤差が最小となるような適応アルゴリズムを用いて重み付け係数（タップ係数）ｗ１〜ｗＮを制御する適応アルゴリズム手段１１とから構成される。
【００１９】
これにより、通常時は、アダプティブアレーアンテナの指向性のヌル点を干渉波方向に向けることで、干渉波Ｉを抑圧するとともに、希望波Ｓを受信する。
【００２０】
ところで、前述のように、ＳＩＮＲ（信号対干渉雑音比）を最大にするように適応的にアレーの重みを変えるアダプティブアレーアンテナにおいては、アレーの重みを適応的に更新する前に、まず、同期を確立する必要がある。
【００２１】
受信希望波Ｓが、干渉波Ｉより強い場合には、基準とする１個のアンテナ素子の受信信号から同期引き込みを行うことが出来、従来よりこの手法で同期を確立している。
【００２２】
しかし、受信希望波Ｓに比べて、干渉波Ｉのレベルが高い場合には、同期引き込みができないし、また同期していても同期はずれが生じる確率が高くなる。このままでは希望波Ｓと干渉波Ｉとの比ＳＩＲが大きくなるのを待つしかない。このように従来の手法では、基準アレーアンテナ１素子のみを用いているため、同期の確立にはＳＩＮＲ（信号対干渉雑音比）が良くなるのを待つしかなかった。
【００２３】
しかし、何らかの方法で干渉波Ｉの到来方向が分かれば、その方向にアダプティブアレーアンテナの指向特性のヌル点を向けて干渉波Ｉを抑圧することができ、干渉波Ｉが抑圧されたそのアレーアンテナの出力を同期引き込みに用いることで、同期引き込み特性を改善することができる。
【００２４】
本発明では、同期引き込みができない状態が継続する場合に、受信希望波Ｓよりも干渉波Ｉが強い状態にあると判断し、このような受信状態においても同期引き込みを可能とするアレーアンテナの初期重み付け係数を設定するものである。
【００２５】
さて、同期はずれが生じている場合、同期はずれ検出器１３が同期はずれ検出信号を出力する。同期引き込みの手順例として、１つのアレーアンテナ素子の受信信号から搬送波と周波数が同じで位相は同期していない局部発振信号で直交準同期検波した後、同期引き込みを行う場合には、同期引き込みに必要なＳＮＲ（信号対雑音比）が確保されなければ、同期はずれ状態が継続する。また、希望波Ｓの信号帯域に干渉波Ｉがある場合には、ＳＮＲ（信号対雑音比）よりＳＩＮＲ（信号対干渉雑音比）が重要となる。このように干渉波Ｉがある場合には同期はずれ状態が続くことになるが、この同期はずれ状態がある時間以上経過した時点で必要なＳＩＮＲが確保されていないと判断する。
【００２６】
このようにして、同期はずれ検出器１３が同期はずれ検出信号を出力すると、この同期はずれ検出信号が出力されたときのみ相関行列の固有値・固有ベクトル計算器１２は、受信信号の相関行列を計算し、さらに固有値と固有ベクトルを計算する。
【００２７】
この計算の一般式は、時刻ｔでのＮ素子アレーの各アンテナ素子で受信される信号をｘｌ（ｔ）〜ｘＮ（ｔ）とし、これらを成分とするベクトルをＸ（ｔ）とすると、相関行列ＲＸＸは下記の数式のようになる。
【００２８】
【数１】

ここでＭはサンプリング数、Ｈは複素転置を表す。
【００２９】
本発明では、相関行列の計算の容易さ、および計算後の固有値分解とその適用を考慮して、アレーアンテナ＃１、＃２の２素子のみの相関行列を用いて、固有ベクトルを算出する。
【００３０】
この計算は簡単で、まずＮ素子アレーと同様に、２素子アレーの相関行列Ｒを下記の数式のように計算する。
【００３１】
【数２】

【００３２】
相関行列の性質からａとｄは実数で、ｂとｃは複素数となる。またｂとｃは複素共役の関係になっている。この相関行列の固有値をλとし、それに対する固有ベクトルをＥとすると、固有値分解式は次の数式で表される。
【００３３】
【数３】

【００３４】
相関行列と固有ベクトルも成分表示すると、次の数式で表される。
【００３５】
【数４】

【００３６】
この数式から固有値λを求めると、固有値λはこの数式４の特性多項式の根であるから、次の数式で表される。
【００３７】
【数５】

【００３８】
この数式５から固有値λを計算すると、次の数式で表されるように、２つの固有値λが得られる。
【００３９】
【数６】

【００４０】
この式のように固有値が２つ得られるが、干渉波Ｉが希望波Ｓよりも大きくなると固有値の小さい方に対する固有ベクトルは干渉波Ｉに対してヌル点を持つ性質があるので、固有値の小さい方を用いる。そして、この小さい方の固有値λと前記数式４とから固有ベクトルを計算し、固有ベクトルの大きさが１となるようにノーマライズしてその一対の成分ｅ１，ｅ２を計算すると、次の数式で表される。
【００４１】
【数７】

【００４２】
この固有ベクトルの一対の成分ｅ１，ｅ２を基にして計算した相関行列の固有値・固有ベクトル計算器１２の出力を適応アルゴリズム手段１１へ転送し、タップ係数ｗ１〜ｗＮの初期値とすることになる。
【００４３】
次に、このようにして得られた固有ベクトルの成分ｅ１，ｅ２をタップ係数ｗ１〜ｗＮの初期値とする手法について検討する。
【００４４】
まず、固有ベクトルの成分ｅ１，ｅ２を相関行列の固有値・固有ベクトル計算器１２の出力の値とする。この場合の初期設定状態を図２に示す。初期タップ係数ｗｏ１＝ｅ１、ｗｏ２＝ｅ２であり、その他のｗｏ３〜ｗｏＮは０とするから、図２のように、タップ係数ｗ１、ｗ２のみが与えられることになる。
【００４５】
このように設定した２素子アレーの指向特性を図３に示している。この図３では、希望波到来角度を＋３０度、干渉波到来方向を−１０度とし、アレーには希望波Ｓと、干渉波Ｉのみが入射すると仮定し、ＳＩＲを変化させて指向特性を測定している。
【００４６】
その指向特性の測定の結果を見ると、希望波Ｓが干渉波Ｉよりも強いとき（ＳＩＲが１０ｄＢ、２０ｄＢの場合）は、希望波方向に指向特性のヌル点が向けられている。逆に、希望波Ｓが干渉波Ｉより弱いとき（ＳＩＲが−１０ｄＢ、−２０ｄＢの場合）は干渉波Ｉの方向に指向特性のヌル点が向いている。
【００４７】
つまり、固有値λのうちの小さい方の固有値に対する固有ベクトルｅ１，ｅ２をアダプティブアレーアンテナの重み付け係数（タップ係数）に用いると、強い波が到来する方向へ指向特性のヌル点を向けることが分かる。
【００４８】
このように、相関行列の固有値・固有ベクトル計算器１２の出力の値をｗｏｌ＝ｅｌ、ｗｏ２＝ｅ２とし、またそれ以外のｗｏ３からｗｏＮは０とすることで、干渉波Ｉが希望波Ｓよりも強いときでもアダプティブアレーアンテナの合成出力では干渉波Ｉは抑制されるから、これにより合成後の受信データをもとに同期引き込み処理を行うことができるため、同期はスムーズに確立される。
【００４９】
また初期値としてヌル点の計算を相関行列の固有値・固有ベクトル計算器１２（図２では２１）で行っているが、２素子アレーからの信号処理ですみ、その計算は簡単である。
【００５０】
また、その後の適応アルゴリズムは、この初期値から計算を始めるため、従来のように全く無意味なタップ係数値から始めるよりも、収束が早くなる。つまり収束が早ければ早いほど、移動無線通信のように刻々とリアルタイムに変化する電波伝搬状況でも干渉波方向に素早くヌル点を持っていくことができる。
【００５１】
次に、前述の図３の２素子アレーの指向特性では、希望波Ｓと干渉波Ｉの相対的なレベル差は約１０ｄＢであったが、これをさらに改良するために、２素子アレーで求めた重み付け係数（タップ係数）から２より多いＮ素子アレーの重み付け係数（タップ係数）を求める。ここでは例として、８素子等間隔リニアアレーを取り上げる。
【００５２】
図４は、その８素子等間隔リニアアレーの場合の初期設定状態を示している。図４のように、８素子のそれぞれに重みｗ１〜ｗ８を与えているが、これらの重みｗ１〜ｗＮはつぎのように求める。２素子アレーの場合と同様に、アレーアンテナ＃１、＃２の２素子のみの相関行列を用いて、固有値、固有ベクトルを算出し、小さい方の固有値に対する固有ベクトルの値をｗｏ１，ｗｏ２とする。この値を用いてタップ係数ｗ１〜ｗＮを計算すると、つぎの２項定理の数式で表される。
【００５３】
【数８】

【００５４】
この数式８を展開して得られる多項式の各項を、アレーアンテナの各アンテナ素子のタップ係数ｗ１〜ｗ８に対応させる。つまり、各アンテナ素子のタップ係数はつぎの数式にて表される。
【００５５】
【数９】

【００５６】
この８素子アレーの指向特性を図５に示している。この図５では、図３におけると同様の条件、すなわち希望波到来角度を＋３０度、干渉波到来方向を−１０度とし、アレーには希望波Ｓと、干渉波Ｉのみが入射すると仮定し、ＳＩＲを変化させて指向特性を測定している。
【００５７】
その指向特性の測定の結果を見ると、希望波Ｓが干渉波Ｉよりも強いとき（ＳＩＲが１０ｄＢ、２０ｄＢの場合）は、希望波方向に指向特性のヌル点が向けられていること、逆に、希望波Ｓが干渉波Ｉより弱いとき（ＳＩＲが−１０ｄＢ、−２０ｄＢの場合）は干渉波Ｉの方向に指向特性のヌル点が向いていることは、２素子アレーの図３と同様である。
【００５８】
しかし、８素子アレーとすることによって、希望波Ｓと干渉波Ｉの相対的なレベル差は約９０ｄＢとなり、各段と大きくなっている。
【００５９】
このように、相関行列の固有値・固有ベクトル計算器４１の出力の値を上記数式９にしたがってｗ１〜ｗＮとすることで、固有ベクトルの一対の成分から重み付け係数の計算をする必要はあるが、アダプティブアレーアンテナの合成出力では干渉波Ｉは、２素子アレーの場合よりも強力に抑制されるから、合成後の受信データをもとに同期引き込み処理を行うことができるため、同期はスムーズに確立される。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、アダプティブアレーアンテナを用いた受信方法および受信装置において、同期はずれが発生し、同期引き込みができないときに、２つのアンテナ素子の受信信号の相関から求めた固有ベクトルの一対の成分に基づいて、各アンテナ素子の初期重み付け係数を決定するから、これにより干渉波方向にアダプティブアレーアンテナのビームのヌル点を向けることになり、干渉波の影響を減少させ、希望波より干渉波が強い状態でも同期の確立を可能にする。
【００６１】
この際に、２素子アレーから求める相関行列の固有値と固有ベクトルは、比較的簡単に求めることができ計算量は少なく抑えることができる。さらに、このタップ係数を適応アルゴリズムの初期値とすることで、収束特性を改善することができる。
【００６２】
また、固有ベクトルの一対の成分に基づいて各アンテナ素子の初期重み付け係数を決定する場合に、固有ベクトルの一対の成分を直ちに、２つのアンテナ素子の初期重み付け係数とすることにより、各アンテナ素子の初期重み付け係数の決定がより容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るアダプティブアレーアンテナを用いた受信装置の構成図。
【図２】本発明の実施例における２素子アレーの初期設定状態を示す図。
【図３】本発明の実施例における２素子アレーの指向特性。
【図４】本発明の実施例における８素子アレーの初期設定状態を示す図。
【図５】本発明の実施例における８素子アレーの指向特性。
【図６】従来例のアダプティブアレーアンテナの構成例。
【符号の説明】
＃１〜＃Ｎアレーアンテナ素子
Ｍ１〜ＭＮ乗算器
Ａ１〜ＡＮ加算器
１０アダプティブアレー制御手段
１１適応アルゴリズム手段
１２相関行列の固有値・固有ベクトル計算器
１３同期はずれ検出器

Claims

アダプティブアレーアンテナを用いた受信方法において、受信信号中の受信希望波への同期の引き込みができないときに、アダプティブアレーアンテナの２つのアンテナ素子の受信信号の相関から固有ベクトルの一対の成分を求め、この固有ベクトルの一対の成分に基づいて、アダプティブアレーアンテナの各アンテナ素子の初期重み付け係数を決定することを特徴とする受信方法。
アダプティブアレーアンテナを用いた受信装置において、アダプティブアレーアンテナの各アンテナ素子の受信信号と各重み付け係数とを乗算し、加算して出力信号を発生するとともに、アダプティブアレーアンテナの指向特性が干渉波の方向にヌルとなるように前記重み付け係数を適応アルゴリズムにしたがって調整するアダプティブアレー制御手段と、
このアダプティブアレー制御手段の出力信号から受信信号中の受信希望波への同期がとれているかどうかを検出する同期検出器と、
アダプティブアレーアンテナの内の２つのアンテナ素子の受信信号を入力し、前記同期検出器からの同期はずれ検出信号に応じて、前記２つのアンテナ素子の受信信号の相関から固有ベクトルの一対の成分を求め、この固有ベクトルの一対の成分に基づいて前記アダプティブアレー制御手段の前記重み付け係数の初期重み付け係数を出力する演算手段とを備えることを特徴とする受信装置。