JP4299083B2

JP4299083B2 - 無線通信装置及び無線通信方法

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Publication number: JP4299083B2
Application number: JP2003317465A
Authority: JP
Inventors: 健一樋口; 秀和田岡; 卓士片岡; 衛佐和橋
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: US7408977B2; EP1515394A2; CN1595833B; US20050053123A1; JP2005086568A; KR20050026364A; KR100664608B1; CN1595833A; EP1515394A3

Description

本発明は、一般に無線通信の技術分野に属し、特にアレーアンテナを利用する無線通信装置及び無線通信方法に関連する。

この種の技術分野では、無線通信を行う際に、適応アレーアンテナ技術(Adaptive Array Antenna)と呼ばれる技術がしばしば利用される。この技術は、例えば複数のダイポールアンテナをアレイ状に複数配置し、各アンテナの重み係数（ウエイト）を適応制御することで、所望の通信相手との通信に好都合な指向性（ビームパターン）を形成する。より具体的には、この技術は、信号を受信する際に通信相手の方向（希望方向）に対するアンテナ利得を大きくする一方、それ以外の方向（非希望方向）に対するアンテナ利得を小さくすることで、干渉波を抑制しながら信号を受信することを可能にする。

一方、Ｗ−ＣＤＭＡ(Wideband-Code Division Multiple Access)方式の第３世代移動通信システムに代表される、適応アレーアンテナ技術を利用する従来の通信システムでは、音声通信のような回線交換型の通信が主に行われている。このような通信では、上下リンクの通信チャネル数やデータレート等が等しく（通信の対称性が高く）、通信チャネルが連続的に送受信される。重み係数は、ＬＭＳ(Least Mean Square)アルゴリズムやＲＬＳ(Recursive Least Square)アルゴリズムを利用し、最適値に収束させることで、算出される。

また、回線交換型の通信では、上りリンクにおける干渉波の到来方向（例えば、干渉波を送信しているユーザの方向）は、下りリンクでも干渉波の到来方向と仮定することの妥当性が高い。そこで、送信時にもそのような指向性又はそれに適切な校正（キャリブレーション）を施した指向性を利用することで、干渉波を効果的に抑圧しながら信号を送信することが可能になる。このように上下リンクで適切な指向性を実現することで、加入者容量を増大させることが可能になる。適応アレーアンテナ技術については、例えば非特許文献１及び非特許文献２に開示されている。
S.Tanaka, M.Sawahashi, and F.Adachi, "Pilot symbol-assisted decision-directed coherent adaptive array diversity for DS-CDMA mobile radio reverse link", IEICE Trans. Fundamentals, Vol. E80-A, pp.2445-2454, Dec. 1997 A.Harada, S.Tanaka, M.Sawahashi, and F.Adachi, "Performance of Adaptive Antenna Array Diversity Transmitter for W-CDMA Forward Link", Proc. PIMRC99, pp.1134-1138, Osaka, Japan Sep. 1999

しかしながら、今後の無線通信システムは、インターネット網との整合性等に起因して、回線交換型の通信からパケット型の通信に移行しつつある。パケット型の通信では、通信チャネルはバースト的に伝送される。即ち、通信チャネルが連続的に送受信されるのではなく、データパケットの存否に対応して通信チャネルが断続的に送受信される。このため、通信チャネルが連続的に到来することを前提に、比較的長時間かけて最適な重み係数を求めていたＬＭＳやＲＬＳアルゴリズムでは、短期間のパケットが使用される場合に、適切な重み係数を求めることができなくなってしまうという問題が懸念される。

また、パケット型の通信では、上下リンクの通信は非対称になる傾向がある。例えば、移動端末が大容量のデータをダウンロードする場合に、上りリンクは単なるコマンドを送信するに過ぎないが、下りリンクではそのダウンロードを高速に行なうために、より多くのチャネル数を必要とする。また、下りリンクでのみ信号伝送が行なわれ、上りリンクでの信号伝送が行なわれないこともあり得る。この場合は、受信の際に得たビームパターンに基づいて送信時のビームパターンを形成すること自体が困難になってしまう。更に、上下リンクの通信の非対称性、及び使用される周波数の相違等により、上りリンク及び下りリンクにおける干渉波の到来方向がほぼ等しいと仮定することの妥当性が低くなる。このため、干渉波を適切に抑圧し、上下リンクで（特に下りリンクで）適切なビームパターンを実現することが困難になってしまうという問題が懸念される。

ところで、上下非対称な通信が予想される今後の無線通信システムにおける重み係数の計算では、伝送速度の高速化及び広帯域化等に起因して、マルチパスフェージングに対処することも求められる。サンプリング周波数の高速化により、従来は捕捉されていなかったようなマルチパス成分も捕捉されるようになり、それが干渉波となるからである。この場合に、上記の非特許文献１又は２に開示されているように、受信信号に含まれるＬ個のパス毎にM個１組の重み係数を算出し（Ｌはパス数であり、Mはアレーアンテナのアンテナ素子数である。）、パス毎に得たＬ個の受信信号を合成して復調することが可能である。この手法では、個々のパスを識別するので、受信特性が良好になる、即ちこの手法は復調データの正確さの観点から望ましいと言える。しかしながら、パス毎に得られるそれぞれの受信電力は比較的小さいので、熱雑音等に起因する重み係数の生成誤差（実現されるビームパターンと最適なビームパターンとの間のズレ）が大きくなってしまうという問題が懸念される。一方、受信信号中の個々のパスを区別せずに、総てのパスを合成した信号を用いて、M個１組の重み係数を算出する技術もある。この手法によれば、合成された受信信号は比較的大きな電力を有するので、重み係数の生成誤差は比較的小さくなる。しかしながら、パスの到来方向が大きくばらつくような場合、即ち角度広がり(angle spread)が大きい場合には、パスを区別していないことに起因して、受信特性が劣化してしまうという問題が懸念される。このため、マルチパスフェージングに起因して、干渉波を抑圧するビームパターンを良好に形成することが困難になることが懸念される。

本発明は、上記の問題点の少なくとも１つに対処するためになされたものであり、その課題は、上下リンクの通信が非対称な無線通信環境であっても、良好に干渉波を抑圧するアレーアンテナのビームパターンを作成することの可能な無線通信装置及び無線通信方法を提供することである。

本発明によれば、
複数のアンテナ素子を有し、各アンテナ素子から１組の受信信号を導出するアレーアンテナ手段と、
受信信号に含まれるパスの到来方向を推定する到来方向推定手段と、
パス間の角度広がりを推定する角度広がり推定手段と、
複数のパスに関する１組の重み係数を算出する第１重み係数算出手段と、
推定されたパスの到来方向に基づいて、パス毎に、１組の重み係数を算出する第２重み係数算出手段と、
パス間の角度広がりに応じて、複数のパスに共通する重み係数又はパス毎に算出された重み係数を、受信信号に乗算する重み付け手段と、
重み付けされた１組の受信信号を合成する合成手段と
を備えることを特徴とする無線通信装置
が、提供される。

また、本発明によれば、
複数のアンテナ素子を有し、各アンテナ素子から、送信信号を送信する又は１組の受信信号を導出するアレーアンテナ手段と、
受信信号に含まれるパスの到来方向を推定する到来方向推定手段と、
パス間の角度広がりを推定する角度広がり推定手段と、
送信信号のビームパターンを決定する１組の重み係数を算出する重み係数算出手段と、
送信すべき信号に前記重み係数を乗算する重み付け手段と
を備え、前記重み係数算出手段が、パス間の角度広がりに応じて、異なるビームパターンを実現する重み係数を算出することを特徴とする無線通信装置
が、提供される。

本発明によれば、上下リンクの通信が非対称な無線通信環境であっても、良好に干渉波を抑圧するアレーアンテナのビームパターンを作成することが可能になる。

本発明の一態様によれば、電波の到来方向を推定しながら重み係数を算出するので、ＬＭＳのような収束に長時間を要するアルゴリズムを使用せずに、適切なビームパターンを速やかに作成することが可能になる。

本発明の一態様によれば、到来波の角度広がりの広狭に合わせて重み係数の算出方法を適宜切り替えるので、角度広がりの広狭によらず、適切なビームパターンを作成することが可能になる。

本発明の一態様によれば、到来波の送信元を識別しながら到来方向を推定し、その推定結果を用いて送信時の重み係数を算出するので、所望の通信相手に信号を送信する場合に、効果的に干渉波を抑圧しながら送信信号を送信することが可能になる。

本発明の一態様によれば、パス間の角度広がりに応じて、様々なビームパターンを実現する重み係数の中で適切なものが使用される。従って、通信環境又は伝送路の状況に合わせて適切な信号伝送を行なうことが可能になる。

本発明の一態様によれば、パス間の角度広がりの広狭に応じて適切な重み係数が算出されるので、通信相手に効率的に信号を送信することができる。その結果、例えば無線基地局における送信電力を節約することが可能になり、節約できた分だけカバレッジを増加させることも可能になる。

以下、本願実施例を説明する。

図１は、本願実施例による無線受信機の有する機能の内、本発明に特に関連する機能を示す機能ブロック図である。概して、図１に示される要素には、「１」から始まる参照番号が付される。無線受信機１００は、アレーアンテナ部１０２を形成する複数のアンテナ素子１０４を有する。簡単のため、３つのアンテナ素子１０４のみが描かれているが、アンテナ素子数は適切な任意の数に設定することが可能である。アンテナ素子１０４は、例えばダイポールアンテナであり、それらは互いに例えば半波長程度の間隔を空けて、直線状に、円弧状に又は他の適切な配置形状に設けられる。アレーアンテナ部１０２の各アンテナ素子１０４は、適切な指向性（ビームパターン）を実現するのに適切であるように、その寸法、間隔及び形状等が設定される。各アンテナ素子１０４には受信フロントエンド部１０６が接続され、受信フロントエンド部１０６は、周波数変換、帯域制限、電力増幅その他の受信フロントエンドに関する処理を行なう。各受信フロントエンド部１０６の出力にはアナログディジタル変換部１０８がそれぞれ設けられている。各アナログディジタル変換部１０８の出力（ディジタル信号）は、後述するように、本発明に特に関連する処理を行なう要素に導かれる。それらの要素は、ハードウエアとして、ソフトウエアとして、又はそれらの組み合わせとして実現することが可能である。

無線受信機１００は、受信信号に含まれるパス（マルチパス成分）の到来方向(DoA: Direction of Arrival)を推定する到来方向推定部１１０を有する。到来方向推定部１１０は、更に、複数のパスの各々について、個々の到来方向を推定する第１到来方向推定部１１２と、総てのパスに共通の（全パスに関する）１つの到来方向を推定する第２到来方向推定部１１４とを有する。無線受信機１００は、受信信号に含まれるＬ個のパスに合わせて、Ｌ個の処理要素１１６，１１８を有する。図１では簡単のためパス１（１番目のパス）用の処理要素１１６及びパスＬ（L番目のパス）用の処理要素１１８のみが描かれているが、実際にはそのような処理要素がＬ個（パス１，パス２，．．．，パスＬ）用意される。Lの値は、用途に依存して適切な任意の値に設定される。パス１用の処理要素１１６には、（パス毎の）第１到来方向推定部１１２の出力を入力とする、パス１用の重み係数算出部１２０が設けられる。重み係数算出部１２０は、パス１の到来波に適切なＭ個１組の重み係数を算出する。ここで、Ｍはアンテナ素子１０４の素子数である。重み係数算出部１２０の出力は、各アンテナ素子１０４に対応して設けられたＭ個のスイッチ部１２２の一方の入力に与えられる。スイッチ部１２０の他方の入力には、全パス共通の重み係数算出部１２４からの出力が与られている。後述するように、この重み係数算出部１２４では、特定の１つのパスではなく、全パスに関する１つの又は平均的な１つの方向に指向性を合わせるような重み係数を算出する。

無線受信機１００は、到来方向推定部１１０（第１到来方向推定部１１２）の出力を入力とする角度広がり推定部１２６を有する。角度広がり推定部１２６は、受信信号に含まれる複数のパスの到来方向によって形成される角度を推定する。無線受信機１００は、角度広がり推定部１２６の出力を入力とする閾値判定部１２８を有し、推定又は測定された角度広がりが所定値を超えたか否かを示す制御信号を出力する。この制御信号は、上述したスイッチ部１２２の制御入力に接続される。スイッチ部１２２は、制御信号の内容に応じて、パス毎に算出された重み係数又は全パスに共通の重み係数を選択し、それをアンテナ素子１０４毎に設けられた乗算部１３０に与える。乗算部１３０は、そこに与えられた重み係数を、受信信号に複素乗算し、その結果を加算部１３２に与える。加算部１３２は、重み付けされた各アンテナ素子１０４からの受信信号を合成し、それを復調部１３４に与える。図示の都合上省略されているが、パス１以外のパスに関する処理要素についても、パス１用の処理要素１１６と同様な要素が設けられている。各処理要素１１６，１１８からの出力は、復調部１３４に入力される。復調部１３４は、例えばレイク合成のような適切な合成手法を利用しながら、受信信号を復調する。尚、図１では、全パスに共通の重み係数が、並列に設けられたＬ個の処理要素１１６，１１８総てを経由するように描かれているが、全パスに共通の重み係数を利用する場合には１つの処理要素（例えば、パス１用の処理要素１１６）のみを利用して、重み付けされた受信信号を復調部１３４に与えるように構成することも可能である。

図２は、無線受信機１００の本発明に関する主要な動作を示すフローチャートである。フロー２００は、ステップ２０２から始まり、複数のアンテナ素子１０４を通じて信号が受信され、受信フロントエンド１０６及びアナログディジタル変換部１０８における適切な信号処理が行なわれる。各アナログディジタル変換部１０８からの出力は、到来方向推定部１１０に入力される。そして、フロー２００はステップ２０４に進む。

ステップ２０４では、受信信号に含まれる複数のパスの到来方向が推定される。この処理は、到来方向推定部１１０の第１及び第２到来方向推定部１１２，１１４に共通して行なわれる。

図３は、パス毎の到来方向を推定する様子を示す概念図である。ここでは、移動端末３０２から発せられた送信信号に含まれるパスの到来方向を、無線基地局３０４が推定する場合を想定している。移動端末３０２からの送信信号は、上りリンクにおけるマルチパスフェージングの影響を受けながら、Ｌ個のパスとして無線基地局３０４に到達するものとする。即ち、図３では代表的に１番目即ち先頭パス（パス１）と、Ｌ番目のパス（パスＬ）とが描かれているが、実際にはＬ個のパスが存在する。無線基地局３０２の到来方向推定部１１０では、パスを区別し得る程度に狭い指向性を有するビームパターン３０６を、矢印３０８に示されるようにして、セル又はセクタ全域を掃引し（簡単のため、ここでは、１２０度程度の広がり有するセクタを掃引することを想定している。）、到来波の受信電力を測定する。

図４は、そのような掃引をすることで得られる電力プロファイルの模式図を示す。電力プロファイルＰ（θ，ｔ）は、到来方向（θ）及び遅延時間（ｔ）の関数として測定される。到来方向の推定は、ビームフォーマー法、カポン(Capon)法、ミュージック(MUSIC)法その他の当該技術分野で既知の手法を利用して行なうことが可能である。

パス毎の到来方向を推定する第１到来方向推定部１１２では、第１〜第Ｌ番目のパスの各受信タイミングｔ_１，ｔ_２，．．．，ｔ_Ｌにおいて、最も大きな受信電力Ｐ（θ，ｔ＝ｔ_ｉ）（ｉ＝１，．．．，Ｌ）を与える角度θをそのパスの到来方向θ_ｉとすることができる。全パスに共通の到来方向を推定する第２到来方向推定部１１４では、到来方向毎に（θ_１，θ_２，．．．，θ_Ｌの各々について）、第１〜第Ｌ番目のパスの各受信タイミングｔ_１，ｔ_２，．．．，ｔ_Ｌにおける電力値の総和Ｐ_１，Ｐ_２，．．．，Ｐ_Ｌを求め、最大の電力和を与える方向を、全パスに共通の到来方向とすることができる。ここで、Ｐ_ｉ＝Ｐ（θ_ｉ，ｔ_１）＋Ｐ（θ_ｉ，ｔ_２）＋・・・＋Ｐ（θ_ｉ，ｔ_Ｌ）（ｉ＝１，．．．，Ｌ）である。或いは、次式に示されるように、そのようにして求めた電力和Ｐ_１，Ｐ_２，．．．，Ｐ_Ｌを用いて平均化された方向θ_aveを、全パスに共通の到来方向とすることも可能である。

尚、本実施例では簡単のため水平方向の角度（方位角）のみを到来方向として取り扱っているが、より一般的に垂直方向の角度（仰角）を考慮することも可能である。到来方向が推定されると、フロー２００はステップ２０６に進む。

ステップ２０６では、複数のパス間の角度広がりが測定される。角度広がりは、複数の到来方向の間のなす角度（最大値）で規定される。この角度は、例えば、図５に示されるように、受信電力が最大値から所定の範囲内（例えば、５ｄB以内）に含まれるパスの到来方向の最大値と最小値の差分として求めることが可能である。図５に示す例では、受信電力が最大値から５ｄB以内の範疇にあるパス１，２，３の内、到来方向の最小値θ_１と、最大値θ_２との間の差分θ_２−θ_１が、角度広がりの検出値として求められる。或いは、図４に示されるような電力プロファイルの測定結果に基づいて、次式に示されるような、到来方向の標準偏差(standard deviation)σ又は分散(variance)を算出し、それを角度広がりとすることも可能である。

ここで、θ_１，θ_２，．．．，θ_Ｌは、各パスの到来方向であり、Ｐ_１，Ｐ_２，．．．，Ｐ_Ｌは各受信タイミングｔ_１，ｔ_２，．．．，ｔ_Ｌにおける電力値の総和である。いずれにせよ、角度広がりが算出されると、フロー２００はステップ２０８に進む。

ステップ２０８では、測定された角度広がりが所定値を超えるか否かが判別される。この判別は、閾値判定部１２８にて行なわれる。所定値即ち閾値は、経験的に又はシミュレーションにより事前に設定される。角度広がりが閾値より大きい場合は、フロー２００はステップ２１０に進む。

ステップ２１０では、パス毎に重み係数を算出する重み係数算出部１２０からの出力が選択されるように制御信号を生成し、それをスイッチ部１２２に与える。この場合に選択される重み係数は、図６に示されるように、パスの各々にメインビームを向けるビームパターンを実現するようなものである。図中、αは角度広がりを示す。図６では、簡単のため、パス１とパスLのみが描かれ、それらにメインビームが向く２つのビームが図示されているが、それ以上の到来方向にメインビームが向くビームパターンを実現するようにすることも当然に可能である。一方、角度広がりが閾値より大きくない場合は、フロー２００はステップ２１２に進む。

ステップ２１２では、全パスにつきＭ個１組の重み係数を算出する重み係数算出部１２４からの出力が選択されるように制御信号を生成し、それをスイッチ部１２２に与える。この場合に選択される重み係数は、図７に示されるように、ある１つの方向又は平均的な１つの到来方向にメインビームが向くビームパターンを実現するようなものである。

ステップ２１２にて（全パスにつき１組の重み係数を算出する重み係数算出部１２４にて）算出される重み係数は、例えば、次式に示される数式を利用して算出することが可能である。

但し、ｗはM個１組の重み係数ベクトルであり、Mはアンテナ素子数であり、θは所望の１つの到来方向であり、ｄは隣接するアンテナ素子間の距離であり、λ_Uはキャリア周波数における波長である。この重み係数は、方位角θの方向に指向性を有するビームパターンを実現する。ステップ２１０（パス毎の重み係数算出部１２０）で算出される重み係数は、パス毎に上記の数式で算出されるような重み係数を算出し、それらを重ね合わせることによって求めることが可能である。尚、重み係数の具体的な算出方法は、上記の数式を利用する場合に限定されず、様々な既存の手法を利用して求めることが可能である。

重み係数が設定されると、フロー２００はステップ２１４に進み、重み係数を決定する処理を終え、以後受信信号処理が行なわれる。設定された重み係数は、乗算部１３０にて受信信号に乗算され、重み付けされた受信信号は、加算部１３２にて合成され、復調部１３４に与えられることによって、復調される。

本願実施例によれば、電波の到来方向を推定しながら重み係数を算出するので、ＬＭＳのような収束に長時間を要するアルゴリズムを使用せずに、適切なビームパターンを速やかに作成することが可能になる。

本願実施例によれば、到来波の角度広がりの広狭に合わせて重み係数の算出方法を適宜切り替えるので、角度広がりの広狭によらず、適切なビームパターンを作成することが可能になる。即ち、角度広がりが大きい場合は、パス毎に算出される重み係数を利用することで、受信特性の劣化を抑制する。一方、角度広がりが小さい場合には、全パスを合成した信号に基づいて重み係数を算出することで、重み係数の推定精度を向上させる。従って、パス間の角度広がりの広狭によらず、重み係数の推定精度及び受信特性の劣化を抑制し、良好なビームパターンを実現することが可能になる。

図８は、本願実施例による無線通信機の内、本発明に特に関連する機能を示す機能ブロック図である。概して、図８に示される要素には、「８」から始まる参照番号が付される。無線受信機８００は、アレーアンテナ部８０２を形成する複数のアンテナ素子８０４を有する。簡単のため、３つのアンテナ素子８０４のみが描かれているが、アンテナ素子数は適切な任意の数に設定することが可能である。アレーアンテナ部８０２の各アンテナ素子８０４は、適切な指向性（ビームパターン）を実現するのに適切であるように、その寸法、間隔及び形状等が設定される。各アンテナ素子８０４には受信フロントエンド部８０６が接続され、受信フロントエンド部８０６は、周波数変換、帯域制限、電力増幅その他の受信フロントエンドに関する処理を行なう。各受信フロントエンド部８０６の出力にはアナログディジタル変換部８０８がそれぞれ設けられている。各アナログディジタル変換部８０８の出力は、それぞれベースバンド受信部８１０，８１２，８１４に与えられる。ベースバンド受信部は、図１のアナログディジタル変換部１０８以降に示される要素（具体的には、参照番号１１０乃至１３４で示される要素）のような信号処理を行なう。ベースバンド受信部８１０，８１２，８１４は、それぞれ第１乃至第３移動端末に対する再生データを出力する。但し、図８では、第１乃至第３移動端末毎に別々にベースバンド受信部が描かれている点、即ち到来波の送信元を区別ながら受信信号処理が行われる点に留意を要する。尚、本実施例では、簡単のため無線基地局は３つの移動端末と通信するように図示されているが、任意の数の移動端末と通信する場合に本発明を適用することが当然に可能である。また、アンテナ素子数と移動端末の数を一致させることは必須ではない。

無線通信機８００はベースバンド送信部８１６，８１８，８２０を有し、第１乃至第３移動端末に対する送信データに関するベースバンドにおける信号処理を行なう。無線送信機８００は、アンテナ素子８０８毎に設けられた加算部８２２を有し、各加算部８２２が、各ベースバンド送信部８１６，８１８，８２０から出力される信号を重ね合わせ、その出力をディジタルアナログ変換部８２４に与える。無線送信機８００は、アンテナ素子８０４毎に設けられた送信フロントエンド部８２６を有し、各送信フロントエンド部８２６は、ディジタルアナログ変換部８２４の出力に、周波数変換、帯域制限、電力増幅その他の送信フロントエンド部に関する信号処理を行なう。送信フロントエンド部８２６からの出力は、サーキュレータ部８２８を通じてアンテナ素子８０４に接続され、無線送信される。

図９は、あるベースバンド送信部に関する機能ブロック図を示す。説明の便宜上、このベースバンド送信部は、第１移動端末用のベースバンド送信部８１６であるとするが、他の移動端末用のベースバンド送信部８１８，８２０についても同様である。ベースバンド送信部８１６は到来方向記憶部９０２を有し、到来方向記憶部９０２は、ベースバンド受信部８１０にて推定された、第１移動端末からの受信信号に含まれるパスの到来方向及び角度広がりに関するデータが格納される。より具体的には、第１移動端末用のベースバンド受信部８１０を構成する到来方向推定部、角度広がり推定部及び閾値判別部（図１の１１０，１２６，１２８）等から得られた情報が、第１移動端末に関する到来方向情報として到来方向記憶部９０２に格納される。ベースバンド送信部８１６は、到来方向情報に基づいて、M個１組の送信時の重み係数を算出する重み係数算出部９０４を有する。但し、Mはアンテナ素子８０４の素子数である。重み係数算出部９０４で算出された重み係数は、アンテナ素子毎に設けられた乗算部９０６の一方の入力にそれぞれ与えられる。他方、ベースバンド送信部８１６は送信フレーム生成部９０８を有し、送信フレーム生成部９０８は、第１移動端末宛の送信データを、例えば適切な無線パケットを形成するようにフレーム構成を変換する。更に、ベースバンド送信部８１６は分配部９１０を有し、分配部９１０は、送信フレーム生成部９０８の出力を、アンテナ素子８０４の数だけ分配させ、それらを乗算部９０６の他方の入力に入力する。各乗算部９０６の出力は、それぞれ加算部８２２に与えられる。

図１０は、無線通信機８００の本発明に関する主要な動作を示すフローチャートである。本実施例では、無線通信機８００は、移動端末１，２，３と通信を行う無線基地局である。フロー１０００は、ステップ１００２から始まり、複数のアンテナ素子８０４を通じて信号が受信され、受信フロントエンド及びアナログディジタル変換部における適切な信号処理が行なわれる。各アナログディジタル変換部８０８からの出力は、ベースバンド受信部８１０，８１２，８１４に入力される。そして、フロー１０００はステップ１００４に進む。概して、ステップ１００４，１００６及び１００８における動作は、図２のステップ２０４，２０６及び２０８に関して説明した動作と同様である。

ステップ１００４では、受信信号に含まれる複数のパスの到来方向が推定される。この処理は、図１の到来方向推定部１１０に関連して説明したようにして行なわれる。

ステップ１００６では、図１の角度広がり推定部１２６に関連して説明したようにして、複数のパス間の角度広がりが測定される。

ステップ１００８では、測定された角度広がりが所定値を超えるか否かが判別される。この判別は、図１の閾値判定部１２８のような要素にて行なわれる。ステップ１００４にて推定したパス毎の到来方向、ステップ１００６にて測定した角度広がり、及びステップ１００８にて判別した角度広がりの大小関係等に関する情報は、到来方向情報として、各ベースバンド送信部８１６，８１８，８２０（図８）の到来方向記憶部９０２（図９）に格納される。角度広がりが閾値より大きい場合は、フロー１０００はステップ１０１０に進み、そうでなければステップ１０１２に進み、適切な重み係数が算出される。到来方向情報に基づいて、各移動端末に対する送信信号のビームパターンを決定する重み係数が算出される。これは、重み係数算出部９０４にて行なわれる。図１１乃至図１３に示されるように、様々な重み係数を算出することが可能である。

図１１は、複数のパス内、最大受信電力を与えるパスの到来方向θ_１に、送信ビームのメインローブを向けるように重み係数を算出する様子を示す。図中、ｗは重み係数ベクトルであり、Mはアンテナ素子数であり、ｄはアンテナ素子間の間隔であり、λ_Dはダウンリンクのキャリア周波数における波長を表す。

図１２は、複数のパスの到来方向の各々θ_１，．．．，θ_Ｌに、送信ビームのメインローブを向けるように重み係数を算出する様子を示す。

図１３は、複数のパスに関する平均的な到来方向θ_aveに、送信ビームのメインローブを向けるように重み係数を算出する様子を示す。

図１２に示されるビームパターンを実現する重み係数は、角度広がりが大きい場合に有利であり、図１３に示されるような重み係数は、角度広がりが小さい場合に有利である。図１１に示されるような重み係数は、角度広がりが小さい場合に使用可能であるのはもちろんのこと、角度広がりが大きい場合に使用する余地もある。というのも、通信環境によっては、角度広がりが大きい場合に総てのパスに向けて送信信号を分散させるよりも、特定の方向に送信信号を集中させて送信した方が移動端末に良好に到達する場合もあり得るからである。ステップ１０１０及びステップ１０１２において、図１１に示されるビームパターンを実現する重み係数を採用するか又はそれ以外の重み係数を採用するかについては、角度広がりの広狭に加えて、例えば電力プロファイルにおける遅延時間の長短を考慮することも可能である。例えば、角度広がりが広い場合に、各パスの遅延時間が短ければ図１２に示される重み係数を選択し、遅延時間が長ければ図１１に示す重み係数を選択することが可能である。

このようにして重み係数が適切に設定された後は、フロー１０００はステップ１０１４に進み、送信時の重み係数の設定を終了する。

本実施例によれば、到来波の送信元を識別しながら到来方向を推定し、その推定結果を用いて送信時の重み係数を算出するので、所望の通信相手に信号を送信する場合に、効果的に干渉波を抑圧しながら送信信号を送信することが可能になる。

本実施例によれば、パス間の角度広がり及び／又は遅延時間の長短等に応じて、様々なビームパターンを実現する重み係数の中で適切なものが使用される。従って、通信環境又は伝送路の状況に合わせて適切な信号伝送を行なうことが可能になる。

本実施例によれば、パス間の角度広がりの広狭に応じて適切な重み係数が算出されるので、通信相手に効率的に信号を送信することができる。その結果、例えば無線基地局における送信電力を節約することが可能になり、節約できた分だけカバレッジ及びリンク容量を増加させることも可能になる。

以上説明したように、本願実施例によれば、上下リンクの通信が非対称な無線通信環境であっても、良好に干渉波を抑圧するアレーアンテナのビームパターンを作成することが可能になる。

本願実施例による無線受信機の主要な要素の機能ブロック図を示す。本願実施例による無線受信機の主要な動作を示すフローチャートである。パスの到来方向を測定する様子を示す概念図である。パスの到来方向及び遅延時間に関する電力プロファイルの模式図を示す。角度広がりを算出するために使用される電力プロファイルの模式図を示す。パス毎に算出される重み係数により実現されるビームパターンを示す図である。全パスに共通する重み係数により実現されるビームパターンを示す図である。本願実施例による無線通信装置の主要な要素の機能ブロック図を示す。本願実施例による無線通信装置に使用されるベースバンド送信部の機能ブロック図を示す。本願実施例による無線通信装置の主要な動作を示すフローチャートである。本願実施例による無線通信装置の送信ビームパターン例を示す概念図である。本願実施例による無線通信装置の送信ビームパターン例を示す概念図である。本願実施例による無線通信装置の送信ビームパターン例を示す概念図である。

符号の説明

１００無線受信装置
１０２アレーアンテナ部
１０４アンテナ素子
１０６受信フロントエンド部
１０８アナログディジタル変換部
１１０到来方向推定部
１１２第１到来方向推定部
１１４第２到来方向推定部
１１６，１１８パス毎の処理要素
１２０パス１用の重み係数算出部
１２２スイッチ部
１２４全パス共通の重み係数算出部
１２６角度広がり推定部
１２８閾値判定部
１３０乗算部
１３２加算部
１３４復調部
３０２移動端末
３０４無線基地局
３０６ビームパターン
８００無線通信装置
８０２アレーアンテナ部
８０４アンテナ素子
８０６受信フロントエンド部
８０８アナログディジタル変換部
８１０，８１２，８１４ベースバンド受信部
８１６，８１８，８２０ベースバンド送信部
８２２加算部
８２４ディジタルアナログ変換部
８２６送信フロントエンド部
８２８サーキュレータ部
９０２到来方向記憶部
９０４重み係数算出部
９０６乗算部
９０８送信フレーム生成部
９１０分配部

Claims

複数のアンテナ素子を有し、各アンテナ素子から、１組の受信信号を導出し及び送信信号を送信するアレーアンテナ手段と、
受信信号に含まれるパスの到来方向を推定する到来方向推定手段と、
パス間の角度広がりを推定する角度広がり推定手段と、
送信信号のビームパターンを決定する１組の重み係数を算出する重み係数算出手段と、
送信すべき信号に前記重み係数を乗算する重み付け手段と
を備え、前記重み係数算出手段は、
複数のパスの各到来方向にそれぞれメインローブを向けるビームパターンを実現する複数パス重み係数、
複数のパスの中から選択された１つのパスの到来方向にメインローブを向けるビームパターンを実現する１パス重み係数及び
複数のパスに関する平均的な到来方向にメインローブを向けるビームパターンを実現する平均パス重み係数を算出し、
パス間の角度広がりが広く且つパスの遅延時間が短かった場合、前記複数パス重み係数が前記送信すべき信号に乗算され、
パス間の角度広がりが広く且つパスの遅延時間が長かった場合、前記１パス重み係数が前記送信すべき信号に乗算され、
パス間の角度広がりが狭かった場合、前記平均パス重み係数又は１パス重み係数が前記送信すべき信号に乗算される
ことを特徴とする無線通信装置。
前記到来方向推定手段が、到来波の送信元を識別することを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
前記角度広がり推定手段が、パスの到来方向の統計的な分散に基づいて、又は所定の範囲内の受信電力を与えるパスに基づいて算出されることを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
複数のアンテナ素子から１組の受信信号を導出するステップと、
受信信号に含まれるパスの到来方向を推定するステップと、
パス間の角度広がりを推定するステップと、
複数のパスの中から選択された１つのパスの到来方向にメインローブを向けるビームパターンを実現する１パス重み係数、複数のパスの各到来方向にそれぞれメインローブを向けるビームパターンを実現する複数パス重み係数、及び複数のパスに関する平均的な到来方向にメインローブを向けるビームパターンを実現する平均パス重み係数を算出するステップと、
パス間の角度広がりに応じて、送信すべき信号に重み係数を乗算するステップと、
重み付けされた送信信号を前記複数のアンテナ素子から送信するステップと、
を有し、
パス間の角度広がりが広く且つパスの遅延時間が短かった場合、前記複数パス重み係数が前記送信すべき信号に乗算され、
パス間の角度広がりが広く且つパスの遅延時間が長かった場合、前記１パス重み係数が前記送信すべき信号に乗算され、
パス間の角度広がりが狭かった場合、前記平均パス重み係数又は１パス重み係数が前記送信すべき信号に乗算される
ことを特徴とする無線通信方法。