JP4319782B2 - 信号の到来方位を決定する方法および装置 - Google Patents

Description

（産業上の利用分野）
本発明は、信号の到来方位を決定する方法と装置に関する。本発明は、無線信号などの電磁信号の到来方位を知ることに適用できるが、これに限定されない。
【０００１】
（従来の技術）
多くの用途において、信号の到来方位を決定することに関心が持たれている。一例が、無線通信システムであり、このシステムでは、１つの通信装置からの被受信信号の到来方位の決定が、もう１つの通信装置により当該方位に送信される電力を最大化するのに使用できる。これによって、第２の通信装置から送信される無線通信信号の、第１の通信装置に受信されたときの信号レベルが最適化できる。
【０００２】
この方式が適用できる無線通信システムの一例が、Global System for Mobile Communicationなどのセルラ移動体通信システムである。セルラ移動体通信システムでは、各移動局は通常、１つの固定基地局と通信する。移動局から基地局への通信はアップリンクといい、基地局から移動局への通信は、ダウンリンクという。システムの総カバーエリアは、１つの基地局によってそれぞれカバーされる独立したセルの数に分割される。セルは通常、地理的に異なっており、カバーエリアは重複している。移動局が、１つのセルのカバーエリアから、別のセルのカバーエリアへと移動するにつれ、通信リンクは、第１セルの移動局と基地局間のリンクから、第２セルの移動局と基地局間のリンクに変化する。これをハンドオーバという。
【０００３】
詳しくは、一部のセルは、他のより大きなセルのカバレージの範囲内に完全に入る場合もある。これらを階層セルといい、一例が、いわゆるマイクロセルで、これらは、通信量の多い地域において、高いトラヒック容量を提供するのに用いられる。通常、マイクロセルは小さく、限れられた地域において、多数のセルが実現できる。マイクロセルに移動する移動局は、マクロセルというオーバーレイ（overlaying）セルからハンドオーバされる。これにより、マクロセルから資源が解放されるので、階層セルは、高いトラヒック容量と合わせて、広いカバーエリアを可能にする。
【０００４】
基地局はすべて、網によって相互接続される。この網は、網を運営するのに必要な通信回線，スイッチ，他の通信網とのインタフェース，および種々のコントローラによって構成される。移動局からの呼は、この網を通して、当該呼に固有の宛先に経路設定される。呼が、同一通信システムの２つの移動局の間にある場合には、網を介して、現在、もう１つの移動局にサービスを提供している基地局に経路設定される。そのため、網を介して、２つのサービス提供セル間に接続が確立される。また、呼が、移動局と、公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）に接続される電話機との間にある場合には、呼は、サービスを提供する基地局から、セルラ移動体通信システムとＰＳＴＮとのインタフェースへと、経路設定される。ついで、ＰＳＴＮにより、このインタフェースから、電話機へと経路設定される。
【０００５】
セルラ移動体通信システムは、移動局と基地局との間の無線通信用に、１つの周波数スペクトルが割り当てられる。このスペクトルは、当該システムを同時に使用するすべての移動局間で共有されなければならない。ＧＳＭや同様のシステムでは、これは、当該スペクトルを、幾つかの周波数チャネルに分割することによって実現される。ＧＳＭでは、各周波数チャネルはさらに、８つの異なるタイム・スロットに分割される。１つのタイム・スロットを各活動移動局に割り当てることによって、周波数チャネルごとに、８つの移動局がサービスを受けられる。この方式を、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）という。各セルには、幾つかの周波数チャネルが割り当てられる。周波数チャネルの数は限定されるので、通常、同一の周波数チャネルが、複数のセルに割り当てられる。これを、周波数の再使用といい、周波数の再使用密度が高いほど、すなわち、密に同一周波数チャネルが使用できるほど、システムで達成可能なトラヒック容量が高くなる。
【０００６】
移動局と基地局との間の無線通信の品質は、信号のＳＮ比水準によって決定される。他の基地局や移動局は干渉を発生し、これが雑音レベルを増加し、そのために品質を低下させる。許容可能な品質水準を確保するため、干渉は十分に低く維持しなければならない。干渉は、同一周波数チャネルを介した送信から発生する可能性があり、これを同一チャネル干渉という。また、割り当てられた周波数チャネルの外部の望ましくない放射を防ぐことができないために、隣接チャネルを介した送信から発生する可能性もある。この干渉を、隣接チャネル干渉という。干渉レベルは、干渉源との距離が長くなるほど減少するので、干渉レベルは、周波数の再使用密度が高い場合は、増加する。今日のセルラ通信システムは、送信電力を、十分なリンク品質を提供する最低レベルに低減する電源制御など、干渉レベルを最小化するための他の手段を組み込んでいる。
【０００７】
干渉を低減するもう１つの重要な方法は、指向性アンテナを使用することであり、これにより、電力は主として、所望の受信機において最適な信号品質を得られる方位に送信される。受信時に、指向性アンテナは、他の方位から受信される干渉を減少させて、送信機が、より低い電力で送信できるようにする。
【０００８】
指向性アンテナは、物理的に大きく、かつ高価であることが多く、そのため、移動局では非実用的であり、指向性アンテナのほとんどは、基地局で採用される。最も適切な指向性アンテナは、複数のアンテナ素子によって構成されるアンテナ・アレイである。各素子の相対的な位相補正を個別に調節することによって、アンテナ・アレイは、指向性ビーム・パターンを有する。アンテナ・アレイの動作については、MonzingoおよびMillerによる‘Introduction to adaptive arrays’ （1980年、Wiley Publishing）の中に記載される。
【０００９】
セルラ通信システムにおいて干渉を低減する既知の方法は、アンテナ・アレイによって受信されるアップリンク信号の到来方位を決定し、決定された方位に、ダウンリンク信号を送信することである。しかしながら、この方法による利点は、得られた到来方位の推定の正確度と信頼度に極めて依存する。到来方位を推定する既知の方法は、信頼度が極めて低く、推定の信頼度を向上させ、推定の信頼度を判断する方法を提供するシステムが望まれる。
【００１０】
（本発明の概要）
本発明は、到来方位の推定の信頼度および正確度を向上させ、かつ得られた推定の信頼度を判断するための方法と装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の１つの側面によれば、被受信信号の到来方位を決定する方法が提供され、この方法は、第１センサからの被受信信号の到来方位の第１推定値を得る段階，少なくとも第２センサからの被受信信号の到来方位の少なくとも第２推定値を得る段階を含み、これは、前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値の両方の関数として、被受信信号の到来方位の推定値を決定する段階によって構成されることを特徴とする。
【００１２】
第１推定値および少なくとも第２の推定値は、第１推定値と少なくとも第２の推定値との差が、閾値を下回るときに、到来方位の推定値を表すことが望ましい。
【００１３】
本発明の１つの特徴によれば、ダウンリンク信号は、セルラ通信システムにおいて、到来方位の推定値の方位に送信される。
【００１４】
本発明の別の側面によれば、被受信信号の到来方位を決定する装置が提供され、この装置は、第１センサからの被受信信号の方位の第１推定値を生成する第１推定器（estimator），第２センサからの被受信無線信号の方位の第２推定値を生成する第２推定器を含み、これは、前記第１推定値と前記少なくとも第２の推定値の両方の関数として、被受信無線信号の到来方位の推定値を決定するコントローラを含むことによって特徴付けられる。
【００１５】
（好適な実施例の説明）
図１を参照して、到来方位を決定し、ダウンリンク信号を送信する装置の実施例が示される。
【００１６】
図１は、従来形の２つのアンテナ・アレイ１０，１２を示す。２つのアンテナ・アレイ１０，１２は、適切なダイバーシティ間隔（spacing）、または技術上周知の偏波ダイバーシティを用いて、通常、互いに間隔をあけることによって、実質的に相関性がないように配列されることが望ましい。
【００１７】
各アンテナ・アレイ１０，１２は、それぞれのプロセッサ１４，１６と結合され、これらのプロセッサは、入ってくるアップリンク信号を抽出して、受信した反射（reflections）から、主たる信号成分を決定する。これらの信号プロセッサは、従来形とすることができる。
【００１８】
各信号プロセッサは、アップリンク信号またはその主成分に関して推定される到来方位θ_uを決定する働きをするそれぞれの方位推定器１８，２０と結合される。１つの適切な技術は、技術上周知の「ビーム形成アルゴリズム（Beamforming Algorithm）」である。
【００１９】
システムは、各方位推定器１８，２０、および好適には、各アンテナ・アレイ１０，１２の能動アンテナ素子の数を表示する働きをする装置２４と結合される類似性試験装置２２を含む。
【００２０】
類似性試験装置２２の出力は、アップリンク信号の到来方位の推定値であり、選択的には、この推定値の信頼度に関する推定である。
【００２１】
ダウンリンクの送信機側では、適応アンテナ・アレイ２６が提供され、これを通して、ダウンリンク信号２８が送信できる。ダウンリンク・ビーム形成器３２によって制御される重み付け（weighting）装置３０は、技術上知られるビーム・ステアリング目的のために、それぞれのアンテナ素子のために設けられる。本発明により、方位および好適にはビーム幅が、アップリンク信号の到来方位および／または到来方位の推定値の質に応答して設定される。
【００２２】
使用時には、アンテナ・アレイ１０（１２），プロセッサ１４（１６）および方位推定器１８（２０）の各セットは、アップリンク信号またはその主成分を抽出し、信号または主信号成分の推定到来方位を決定する。通常、アンテナ・アレイの２つのセットからの方位推定値は異なる。
【００２３】
本発明の１つの特徴により、到来角度は、２つのアンテナ・アレイそれぞれにおいて受信されたアップリンク信号の電力レベルまたはＳＮ比に従って、各アンテナ・アレイからの方位推定値を重みづけすることによって決定される。詳しくは、各分岐（branch）の電力レベルまたはＳＮ比が評価され、到来方位が、最高レベルに相当する方位推定値として決定できる。無線信号がしばしば、アンテナ・アレイの一方でディープ・フェード状態（deep fade）になるが、両方のアレイでそうなることはめったにないフェージング環境では、これによって、到来方位の決定が大幅に向上する。
【００２４】
アップリンク信号の抽出は、既知の特性に基づいて行なうことができる。アップリンク信号は、既知のデータ・パターンを含むことが望ましく、電力レベルまたはＳＮ比レベルは、被受信信号を、この既知のデータ・パターンと相関させることによって推定できる。これは、ＧＳＭ受信機では周知のことであり、ＧＳＭの受信機では、既知のmidamble データ・パターンと被受信信号との相関を使用して、所望の移動機に対するチャネル特性が推定され、これは、所望の移動機から受信されたエネルギーを抽出するのと似通っている。
【００２５】
本発明の別の側面によれば、到来方位の決定は、２つの分岐において受信される信号レベルを比較するのではなく、方位推定値を直接比較することに基づいている。
【００２６】
類似性試験装置２２は、２つのアンテナ・アレイ１０，１２からの２つの方位推定値を比較するように配列される。これらの推定値が、実質的に同様と判明する場合には、いずれの推定値も、アップリンク信号の到来方位に関する有効な推定値と見なされる。そのため、類似性試験装置２２は、２つの推定値のいずれか、または好適には平均値を、ダウンリンク・ビーム形成器３２に提供する。この比較によって、最も単純な形で、２つの方位推定値の差が得られ、これを閾値と比較することができる。この差が閾値を下回るとき、推定値は実質的に同様であり、そのため、信頼できる到来方位を提供すると見なされる。
【００２７】
類似性試験装置２２は、到来方位の推定値を生成するのみならず、第１推定値と第２推定値がどのように相関しているかを、例えば、２つの推定値の差として示す。この相関に基づき、ダウンリンク・ビーム形成器は、ダウンリンク信号のビーム幅を調節する。例えば、相関が減少すると、これは、到来方位の推定値の信頼度が低下していることを示す。したがって、ビーム形成器は、より幅が広いビームを形成し、移動局が、拡張された角度の範囲内に入るように確保する。詳しくは、推定値間の相関が上記の閾値を上回ると、ビーム形成器は、非指向性ビーム・パターンを形成する可能性がある。
【００２８】
到来角度推定値の平均持続時間は、システムの性能にとって極めて重要である。持続時間が短いと、推定の信頼度が低くなり、雑音が多くなる。持続時間が長くなると、入力信号の到来方位の変化に応答する時間が遅くなる。到来方位の変化の速度とＳＮ比レベルは、移動体通信システムでは極めて大きく変化する。これは、移動局が種々の速度で移動する可能性があることが主因である。通信システムの１つの特徴によれば、平均持続時間は、到来方位の推定値に関して決定される信頼度、すなわち、第１推定値と第２推定値との相関に応答して、変化する。平均持続時間は、相関を低減するために増加され、相関を増加させるために減少されることが望ましい。
【００２９】
一般的な方式では、到来方位の連続値が、ダウンリンク・ビーム形成器３２に、推定値の信頼度の示度とともに与えられる。ダウンリンク・ビーム形成器３２は、現在値の信頼度に応答して決定されたビーム幅によって、到来方位にビームを形成する。
【００３０】
具体的な例では、システムの動作は、図１を参照すると次のようになる。
１．アンテナ・アレイ１０，１２の能動素子の数Nが決定され、これから、N次元線形アンテナ・アレイの誤り閾値が決定される。例えば、４素子アンテナ・アレイの場合、３ｄＢのバンド幅は約２２°であり、このため、ダウンリンク信号における実際の被受信最大エネルギーとの指向（pointing）誤差は、±１０°が許容可能である。このため、誤り閾値は±１０°に設定される。
２．第１の例で、到来方位の推定値は、各受信機のアンテナ・アレイ分岐に対して独立して決定される。（これらは、空間ダイバーシティ・パネル(spatial diversity panel)として示されるが、二重偏波ダイバーシティ・パネルでも同等であろう。）到来方位プロセスに使用される分散行列推定値は、短期間、例えば、１つのフレームにわたって平均される。このため、２つの推定値は全く異なる可能性がある。
３．アップリンクとダウンリンクのピーク方位推定値は、より長い分散行列を用いて、例えば、１からＫまでの連続するフレームにわたって再計算される。ついで、アップリンク方位とダウンリンク方位との違いが、Ｎ次元アンテナ・アレイのアパーチャによって課される収束（convergence）限界を下回るかどうか、確認される。これがあてはまらない場合には、分散行列は、より長い平均を用いて再計算される。しかしながら、収束に達する場合には、ダイバーシティ・パネルの１つまたは両方の方位推定値が使用されて、ダウンリンク・ビームを作る。ついで、平均期間がゼロにリセットされて、プロセスが再開する。
【００３１】
そのため、この実施例において、到来角度を決定するに際して実施される平均値算出は、動的に調節されて、到来方位の十分な信頼度を確保する。
【００３２】
１つの実施例において、システムは、収束の移動平均を用いて、ビームを移動できる。同様に、誤り閾値は、例えば、特定のアップリンク特性、またはアンテナ・アレイに使用されるアンテナ素子の数を考慮するために変化する可能性がある。
【００３３】
幾つかの実施例では、複数のアンテナ・アレイが提供されて、複数の方位推定値を生成することができる。
【００３４】
本発明は、セルラ通信システムに適用可能であり、このシステムにおいて、より良いＳＮ比性能をもたらし、干渉を低減できる。アップリンクの測定方位から求められるダウンリンク・ビームは、適切な方位に向けられる。さらに、ダウンリンク・ビームが、不適切な方位に向けられて、方位推定値の収束期間中、隣接セルへの干渉を多く生じることがないので、干渉性能を向上できる。また、ＳＮ比性能は、さまざまな収束期間が使用される場合でも、移動速度とは独立している。
【００３５】
本発明が、セルラ通信システムに限定されず、信号の到来方位が決定されるいずれの分野にも適用可能であることは、当業者には明白であろう。これらの用途は、例えば、赤外線信号または音響信号の到来方位の決定を含む。
【図面の簡単な説明】
本発明の実施例は、添付図面を参照して、例としてのみ記載される。
【図１】 本発明により、到来方位を決定し、ダウンリンク信号を送信する装置の好適な実施例のブロック図である。

Claims (15)

1. 被受信信号の到来方位を決定する方法であって：
   第１センサ（１０）からの前記被受信信号の到来方位の第１推定値を得る段階；
   少なくとも第２センサ（１２）からの前記被受信信号の前記到来方位の少なくとも第２推定値を得る段階；
   前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値の両方の関数として、前記被受信信号の到来方位の推定値を決定する段階；
   前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値の関数として、前記到来方位の推定値の信頼度を決定する段階；
   を備える方法。
2. 前記被受信信号の前記到来方位の推定値を決定する段階は、前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値とを、前記第１センサと前記第２センサ（１０，１２）によってそれぞれ受信される前記被受信無線信号の電力レベルに従って重みづけすることによって特徴づけられる請求項１記載の方法。
3. 前記被受信信号の前記到来方位の推定値を決定する段階は、前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値とを、前記第１センサと前記第２センサ（１０，１２）によってそれぞれ受信される前記被受信信号のＳＮ比に従って、重みづけすることによって特徴づけられる請求項１記載の方法。
4. 前記被受信信号の既知の特性が、前記被受信信号を識別するために用いられることを特徴とする請求項２または請求項３記載の方法。
5. 前記到来方位の推定値を決定する段階は、前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値とを比較し、前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値が実質的に類似しているときに、前記第１推定値および前記少なくとも第２推定値が、前記到来方位を表すと判断することによって特徴づけられる請求項１記載の方法。
6. 前記比較は、前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値との間の差によって実施され、前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値との差が、閾値を下回るときに、前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値が、前記到来方位を表すと判断することによって特徴づけられる請求項５記載の方法。
7. 前記被受信信号が、電磁信号であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 無線通信システムにおいて、ダウンリンク信号を送信する方法であって、請求項１記載の被受信無線信号の方位を決定する段階と、決定された到来方位に、ダウンリンク信号を送信する段階とを含むことを特徴とする方法。
9. 前記ダウンリンク信号のビーム幅が、前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値との相関に応答して決定されることを特徴とする請求項８記載の無線通信システムにおいてダウンリンク信号を送信する方法。
10. 前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値の平均持続時間が、前記第１推定値と前記第２推定値との相関に応答して決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
11. セルラ通信システムにおいて使用される請求項８記載の方法。
12. 被受信信号の到来方位を決定する装置であって：
    第１センサ（１０）からの前記被受信信号の方位の第１推定値を生成する第１推定器（１８）；
    第２センサ（１２）からの前記被受信信号の前記方位の第２推定値を生成する少なくとも第２推定器（２０）；
    前記第１推定値と少なくとも前記第２推定値の両方の関数として、前記被受信無線信号の到来方位の推定値を決定するコントローラ；
    前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値の関数として、前記到来方位の推定値の信頼度を決定する類似性試験装置（２２）；
    を備える装置。
13. 前記被受信信号が、電磁信号であることを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. 請求項１３記載の装置であって、さらに、前記決定された到来方位に、ダウンリンク無線信号を送信する送信機（３２）によって構成されることを特徴とする装置。
15. 前記ダウンリンク信号のビーム幅が、前記第１推定値と前記少なくとも第２推定値との相関に応答して決定されることを特徴とする請求項１４記載の装置。

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