JP4587357B2

JP4587357B2 - 無線基地システムおよび送信指向性制御方法

Info

Publication number: JP4587357B2
Application number: JP2001211979A
Authority: JP
Inventors: 義晴土居; 恭孝小川; 武雄大鐘
Original assignee: Hokkaido University NUC; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Hokkaido University NUC; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2021-07-12
Also published as: CN100525140C; CN1528060A; WO2003007506A1; US7565171B2; JP2003032167A; EP1418685A1; US20040176136A1; EP1418685A4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、無線基地システムおよび送信指向性制御方法に関し、より特定的には、移動体通信システムにおいて、リアルタイムにアレイアンテナの指向性を変更し、複数の移動端末装置との間で信号の送受信を行なう無線基地システム、およびそのような無線基地システムにおける送信指向性の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、急速に発達しつつある移動体通信システム（たとえば、Personal Handyphone System：以下、ＰＨＳ）では、無線基地システム（基地局）と移動端末装置（端末）との間の通信に際し、基地局に空間多重接続している複数の端末のうち、基地局側のアダプティブアレイ処理により特定の端末からの受信信号を分離抽出する方式が提案されている。
【０００３】
アダプティブアレイ処理とは、複数の端末から基地局のアレイアンテナで受信した信号に基づいて、アレイアンテナを構成するアンテナごとのウェイトからなる受信ウェイトベクトルを計算して適応制御することによって、特定の端末からの信号を正確に抽出する周知の処理である。
【０００４】
基地局においては、受信信号のシンボルごとにこのような受信ウェイトベクトルを計算する受信ウェイトベクトル計算機が設けられ、この受信ウェイトベクトル計算機は、受信信号と算出された受信ウェイトベクトルとの複素乗算和と、既知の参照信号との誤差の２乗を減少させるよう受信ウェイトベクトルを収束させる処理、すなわち特定の端末からの受信指向性を収束させるアダプティブアレイ処理を実行する。
【０００５】
アダプティブアレイ処理では、このような受信ウェイトベクトルの収束を、時間や信号電波の伝搬路特性の変動に応じて適応的に行ない、受信信号中から干渉成分やノイズを除去し、特定の端末からの受信信号を抽出している。
【０００６】
一方、基地局においては、送信信号のシンボルごとに送信ウェイトベクトルを計算する送信ウェイトベクトル計算機が設けられ、この送信ウェイトベクトル計算機によって計算された送信ウェイトベクトルで重み付けされた送信信号は、受信時と同じアレイアンテナを用いて送信される。
【０００７】
ここで、送信ウェイトベクトル計算機が、送信ウェイトベクトルとして、受信ウェイトベクトルをそのままコピーして用いれば、送信信号に対し、受信時と同じ特定の端末をターゲットとする重み付けがされることとなり、送信された電波信号は、あたかも当該端末に対する送信指向性を有するかのように送信される。
【０００８】
しかしながら、上り回線（アップリンク）で特定の端末から基地局に電波が送信されてから、逆に下り回線（ダウンリンク）で基地局から当該端末に電波を送信するまでには時間間隔がある。上述のように、上り回線で得られた受信ウェイトベクトルをそのまま送信ウェイトベクトルとして下り回線で使用すると、端末の移動速度が無視できない場合、基地局からの電波の射出方向と、現実に端末が存在する方向とに誤差が生じ、下り回線での基地局からの送信指向性が劣化する場合がある。
【０００９】
主として端末の移動による伝搬環境の変動（フェージング）を考慮した下り回線用の送信ウェイトベクトルの計算方法として、上り回線で得られた受信応答（係数）ベクトルを用いた外挿処理により下り回線の送信応答（係数）ベクトルを推定し、推定された送信応答ベクトルに基づいて送信ウェイトベクトルを計算する方法が提案されている。
【００１０】
すなわち、フレーム内の上り回線の複数タイミングで受信応答ベクトルを測定し、これらの測定値に基づいて受信応答ベクトルの時間波形を数次外挿（たとえば１次外挿や２次外挿）することにより、下り回線の任意の送信タイミングにおける受信応答ベクトルを推定して送信応答ベクトルとし、これにより送信ウェイトベクトルを計算するものである。
【００１１】
このような方法では、端末の移動速度に比例する（フェージングの程度を表わす）ドップラー周波数（以下、ＦＤ）が４０Ｈｚ程度までの状態では、基地局に対する２ユーザの端末の空間多重接続を維持することができる。このようにＦＤ＝４０Ｈｚ程度まで空間多重接続を維持できる点については、たとえば、岸山他による「アダプティブアレーを用いたＴＤＤ／ＳＤＭＡ方式における下り回線用ウェイト推定法に関する検討」、信学技報（ＣＳ９９−４４，ＲＣＳ９９−３６，１９９９年６月）に開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような外挿処理を用いた方法では、端末の移動速度が速くなり、受信応答ベクトルの時間波形の変動が周期の短い急激な変動となると、外挿結果が受信応答ベクトルの現実の時間波形から大きくずれることとなり、外挿誤差が大きくなる。
【００１３】
特に、端末の移動速度を表わすドップラー周波数が、ＦＤ＝４０Ｈｚ程度を超えると、もはや空間多重接続を維持することができなくなる。
【００１４】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、たとえ端末の移動速度が速くなり、ドップラー周波数が高くなった場合でも、下り回線の送信応答ベクトルを正確に推定することができ、ひいては良好な送信指向性制御が可能な、無線基地システムおよび送信指向性制御方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明の１つの局面によれば、離散的に配置された複数のアンテナの指向性をリアルタイムに変更し、複数の端末との間で信号の送受信を行なう無線基地システムは、受信信号分離手段と、受信応答ベクトル推定手段と、送信応答ベクトル推定手段と、送信指向性制御手段とを備える。受信信号分離手段は、複数のアンテナで受信した信号に基づいて、複数の端末のうち特定の端末からの信号を分離するためのウェイトベクトルを算出する。受信応答ベクトル推定手段は、複数のアンテナで受信した信号に基づいて、特定の端末からの伝搬路の受信応答ベクトルを推定する。送信応答ベクトル推定手段は、受信応答ベクトル推定手段の推定結果に基づいて、送信時における伝搬路の送信応答ベクトルを推定する。送信指向性制御手段は、送信応答ベクトル推定手段の推定結果に基づいて、アンテナの送信指向性を制御する。
【００１６】
送信応答ベクトル推定手段は、受信応答ベクトル推定手段によって推定された受信応答ベクトルの各アンテナの要素の時間変化関数を、所定数の互いに異なる所定の周波数成分の信号波形の合成波形とみなして、それぞれの周波数成分の信号波形の送信時の任意のタイミング位置における時間変化を予測して送信応答ベクトルを合成するベクトル予測手段を含む。
【００１７】
好ましくは、ベクトル予測手段は、係数推定手段と、算出手段とを含む。係数推定手段は、それぞれの周波数成分の信号波形の係数を推定する。算出手段は、推定された係数および所定の周波数成分に基づいて、送信時における任意のタイミング位置における送信応答ベクトルを算出する。
【００１８】
好ましくは、無線基地システムは、端末の移動速度を表わすドップラー周波数を検出する移動速度検出手段をさらに備え、係数推定手段は、互いに異なる所定の周波数成分を、検出されたドップラー周波数に応じて決定する。
【００１９】
好ましくは、係数推定手段は、互いに異なる所定の周波数成分を、検出されたドップラー周波数周波数の最大値に対して所定の関係を有するように決定する。
【００２０】
好ましくは、送信指向性制御手段は、検出されたドップラー周波数が端末がほとんど移動していないことを示す範囲の値であるときには、送信応答ベクトル推定手段の推定結果に代えて、受信信号分離手段によって算出されたウェイトベクトルに基づいて、アンテナの送信指向性を制御する。
【００２１】
好ましくは、係数推定手段は、少なくとも互いに異なる周波数成分の数と同数のタイミング位置で受信応答ベクトルを推定することによって得られる、係数を未知数とする連立方程式を解くことによって係数を推定する。
【００２２】
好ましくは、信号の送信および受信は、それぞれ複数のタイムスロットで時分割的に行なわれ、係数推定手段は、受信応答ベクトルを推定するタイミング位置を、受信のための複数のタイムスロットのいずれか１つの中に設定する。
【００２３】
好ましくは、信号の送信および受信は、それぞれ複数のタイムスロットで時分割的に行なわれ、係数推定手段は、受信応答ベクトルを推定するタイミング位置を、受信のための複数のタイムスロットのうちの少なくとも２つのスロットに分散して設定する。
【００２４】
この発明の他の局面によれば、離散的に配置された複数のアンテナの指向性をリアルタイムに変更し、複数の端末との間で信号の送受信を行なう無線基地システムにおける送信指向性制御方法は、複数のアンテナで受信した信号に基づいて、複数の端末のうち特定の端末からの信号を分離するためのウェイトベクトルを算出するステップと、複数のアンテナで受信した信号に基づいて、特定の端末からの伝搬路の受信応答ベクトルを推定するステップと、推定された受信応答ベクトルに基づいて、送信時における伝搬路の送信応答ベクトルを推定するステップと、推定された送信応答ベクトルに基づいて、アンテナの送信指向性を制御するステップとを備える。
【００２５】
送信応答ベクトルを推定するステップは、推定された受信応答ベクトルの各アンテナの要素の時間変化関数を、所定数の互いに異なる所定の周波数成分の信号波形の合成波形とみなして、それぞれの周波数成分の信号波形の送信時の任意のタイミング位置における時間変化を予測して送信応答ベクトルを合成するステップとを含む。
【００２６】
好ましくは、合成するステップは、それぞれの周波数成分の信号波形の係数を推定するステップと、推定された係数および所定の周波数成分に基づいて、送信時における任意のタイミング位置における送信応答ベクトルを算出するステップとを含む。
【００２７】
好ましくは、送信指向性制御方法は、端末の移動速度を表わすドップラー周波数を検出するステップをさらに備え、係数を推定するステップは、互いに異なる所定の周波数成分を、検出されたドップラー周波数に応じて決定するステップを含む。
【００２８】
好ましくは、係数を推定するステップは、互いに異なる所定の周波数成分を、検出されたドップラー周波数周波数の最大値に対して所定の関係を有するように決定するステップを含む。
【００２９】
好ましくは、アンテナの送信指向性を制御するステップは、検出されたドップラー周波数が端末がほとんど移動していないことを示す範囲の値であるときには、推定された送信応答ベクトルに代えて、前記算出されたウェイトベクトルに基づいて、アンテナの送信指向性を制御するステップを含む。
【００３０】
好ましくは、係数を推定するステップは、少なくとも互いに異なる周波数成分の数と同数のタイミング位置で受信応答ベクトルを推定することによって得られる、係数を未知数とする連立方程式を解くことによって係数を推定するステップを含む。
【００３１】
好ましくは、信号の送信および受信は、それぞれ複数のタイムスロットで時分割的に行なわれ、係数を推定するステップは、受信応答ベクトルを推定するタイミング位置を、受信のための複数のタイムスロットのいずれか１つの中に設定する。
【００３２】
好ましくは、信号の送信および受信は、それぞれ複数のタイムスロットで時分割的に行なわれ、係数を推定するステップは、受信応答ベクトルを推定するタイミング位置を、受信のための複数のタイムスロットのうちの少なくとも２つのスロットに分散して設定する。
【００３３】
以上のように、この発明によれば、伝搬環境の変化による受信応答ベクトルの時間変動が、複数の周波数の信号波形の合成であることに着目し、所定数の互いに異なる所定の周波数成分ごとに送信時における変化を予測して合成することにより、そのときの受信応答ベクトルを推定し、無線基地システムにおける送信指向性の制御に使用している。したがって、外挿処理によって送信時における受信応答ベクトルを推定する場合に比べて、より正確な送信指向性の制御が可能となり、特に、端末の移動が速く、ドップラー周波数が高い場合であっても、無線基地システムに対する複数端末の空間多重接続を維持することが可能になる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００３５】
まず、この発明の実施の形態について説明する前に、基地局における従来の外挿処理を用いた送信応答ベクトルの推定および送信指向性の制御について説明する。
【００３６】
図５は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）によってソフトウェア的に実行される、従来の外挿処理による送信応答ベクトルの推定を行なうための基地局１０００の構成を機能的に説明するための機能ブロック図である。
【００３７】
図５に示した構成においては、２人のユーザＰＳ１とＰＳ２とを識別するために、４本のアンテナ♯１〜♯４が設けられている。ただし、アンテナの本数としては、より一般的にＮ本（Ｎ：自然数）であってもよい。
【００３８】
図５に示した基地局１０００では、アンテナ♯１〜♯４からの信号を受けて、対応するユーザ、たとえば、ユーザＰＳ１からの信号を分離するための受信部ＳＲ１およびユーザＰＳ１への信号を送信するための送信部ＳＴ１が設けられている。アンテナ♯１〜♯４と受信部ＳＲ１および送信部ＳＴ１との接続は、スイッチ１０−１〜１０−４により、選択的に切換えられる。
【００３９】
ここで、アンテナ♯１〜♯４でそれぞれ受信された受信信号ＲＸ₁（ｔ），ＲＸ₂（ｔ），ＲＸ₃（ｔ），ＲＸ₄（ｔ）は、下記の式で表わされる。
【００４０】
ＲＸ₁（ｔ）＝ｈ₁₁Ｓｒｘ₁（ｔ）＋ｈ₁₂Ｓｒｘ₂（ｔ）＋ｎ₁（ｔ）
ＲＸ₂（ｔ）＝ｈ₂₁Ｓｒｘ₁（ｔ）＋ｈ₂₂Ｓｒｘ₂（ｔ）＋ｎ₂（ｔ）
ＲＸ₃（ｔ）＝ｈ₃₁Ｓｒｘ₁（ｔ）＋ｈ₃₂Ｓｒｘ₂（ｔ）＋ｎ₃（ｔ）
ＲＸ₄（ｔ）＝ｈ₄₁Ｓｒｘ₁（ｔ）＋ｈ₄₂Ｓｒｘ₂（ｔ）＋ｎ₄（ｔ）
ここで、信号Ｓｒｘ₁（ｔ）およびＳｒｘ₂（ｔ）は、それぞれ、ユーザＰＳ１およびユーザＰＳ２から送信された信号を表わし、係数ｈ₁₁，ｈ₂₁，ｈ₃₁，ｈ₄₁は、アンテナ♯１〜♯４でそれぞれ受信されたユーザＰＳ１からの信号の複素係数を表わし、係数ｈ₁₂，ｈ₂₂，ｈ₃₂，ｈ₄₂は、アンテナ♯１〜♯４でそれぞれ受信されたユーザＰＳ２からの信号の複素係数を表わしている。なお、ｎ₁（ｔ），ｎ₂（ｔ），ｎ₃（ｔ），ｎ₄（ｔ）は、アンテナ♯１〜♯４でそれぞれ受信された信号に含まれる雑音成分を表わしている。
【００４１】
それぞれのアンテナで受信された上記の受信信号ＲＸ₁（ｔ），ＲＸ₂（ｔ），ＲＸ₃（ｔ），ＲＸ₄（ｔ）は、対応するスイッチ１０−１，１０−２，１０−３，１０−４を介して受信部ＳＲ１に入り、受信ウェイトベクトル計算機２０、受信応答ベクトル計算機２２に与えられるとともに、対応する乗算器１２−１，１２−２，１２−３，１２−４の一方入力にそれぞれ与えられる。
【００４２】
これらの乗算器の他方入力には、受信ウェイトベクトル計算機２０からそれぞれのアンテナでの受信信号に対する重み係数ｗｒｘ１１，ｗｒｘ２１，ｗｒｘ３１，ｗｒｘ４１が印加される。これらの重み係数は、受信ウェイトベクトル計算機２０により、リアルタイムで算出される。
【００４３】
この受信ウェイトベクトル計算機２０では、ＲＬＳ（Recursive Least Squares）アルゴリズムやＳＭＩ（Sample Matrix Inversion）アルゴリズムのようなアダプティブアレイアルゴリズムを使用して、これらの重み係数からなる受信ウェイトベクトルを計算している。
【００４４】
このようなＲＬＳアルゴリズムやＳＭＩアルゴリズムは、アダプティブアレイ処理の分野では周知の技術であり、たとえば菊間信良著の「アレーアンテナによる適応信号処理」（科学技術出版）の第３５頁〜第４９頁の「第３章ＭＭＳＥアダプティブアレー」に詳細に説明されているので、ここではその説明を省略する。
【００４５】
図５の受信応答ベクトル計算機２２は、上記の式の受信信号ＲＸ₁（ｔ），ＲＸ₂（ｔ），ＲＸ₃（ｔ），ＲＸ₄（ｔ）を受けて、ユーザＰＳ１から送信された信号の４本のアンテナごとの要素（係数）ｈ₁₁，ｈ₂₁，ｈ₃₁，ｈ₄₁からなる受信応答（係数）ベクトルＨ₁ ＝［ｈ₁₁，ｈ₂₁，ｈ₃₁，ｈ₄₁］、およびユーザＰＳ２から送信された信号の４本のアンテナごとの要素（係数）ｈ₁₂，ｈ₂₂，ｈ₃₂，ｈ₄₂からなる受信応答ベクトルＨ₂ ＝［ｈ₁₂，ｈ₂₂，ｈ₃₂，ｈ₄₂］を算出して出力する。
【００４６】
図５に示したこのような受信応答ベクトル計算機２２の基本的な動作は周知であり、たとえば本願の出願人による国際公開番号ＷＯ００／７９７０２号に詳細に説明されている。したがって、ここではその説明を省略する。
【００４７】
一方、送信部ＳＴ１は、受信応答ベクトル計算機２２において算出された受信応答ベクトルを受けて、後に説明するように、送信時での伝搬路を推定、すなわち、送信時点での仮想的な受信応答ベクトルを推定することで送信応答（係数）ベクトルを求める送信応答ベクトル推定機３２と、送信応答ベクトル推定機３２との間でデータを授受し、データを記憶保持するメモリ３４と、送信応答ベクトル推定機３２の推定結果に基づいて、送信ウェイトベクトルを算出する送信ウェイトベクトル計算機３０と、それぞれ一方入力に送信信号を受け、他方入力に送信ウェイトベクトル計算機３０からの重み係数ｗｔｘ１１，ｗｔｘ２１，ｗｔｘ３１，ｗｔｘ４１が印加される乗算器１５−１，１５−２，１５−３，１５−４とを含む。乗算器１５−１，１５−２，１５−３，１５−４からの出力は、スイッチ１０−１〜１０−４を介して、アンテナ＃１〜＃４に与えられる。
【００４８】
なお、図１には図示していないが、受信部ＳＲ１および送信部ＳＴ１と同様の構成が、各ユーザに対しても設けられている。
【００４９】
図６は、従来の外挿処理を採用した図５の基地局１０００の基本的な動作の概要を説明するためのフローチャートである。
【００５０】
この基地局１０００においては、アダプティブアレイのウエイトベクトル（重み係数ベクトル）が各アンテナ素子における応答ベクトルにより一意に表わせることに着目し、前述のような外挿処理により、受信応答ベクトルの時間変動を送信時まで推定することによって間接的に送信ウエイトベクトルを推定する。
【００５１】
まず、受信部ＳＲ１において、受信信号に基づいて、受信信号の伝搬路の推定を行なう（ステップＳ１００）。言い換えると、たとえば、受信応答ベクトル計算機２２により受信応答ベクトルＨ₁が推定できれば、ユーザＰＳ１からの信号受信時の伝送路の推定が行なえたことになる。
【００５２】
つづいて、送信応答ベクトル推定機３２が、送信時の伝搬路の予測、すなわち、以下に説明する従来の外挿処理によって、受信時の受信応答ベクトルに基づく送信時点での受信応答ベクトルの予測を行なう（ステップＳ１０２）。この予測された受信応答ベクトルが送信時の送信応答ベクトルに相当する。
【００５３】
さらに、送信ウェイトベクトル計算機３０が、推定された送信応答ベクトルに基づいて、ウィナー解などのアルゴリズムを用いて、送信ウェイトベクトルの計算を行ない、乗算器１５−１〜１５−４に出力する（ステップＳ１０４）。送信ウェイトベクトルの計算原理は、周知であり、たとえば本願の出願人による国際公開番号ＷＯ００／７９７０２号に詳細に説明されている。したがって、ここではその説明を省略する。
【００５４】
図７は、図５に示した送信応答ベクトル推定機３２の基本的な動作、すなわち従来の外挿処理による送信応答ベクトルの推定を説明するための概念図である。図７においては、上下回線にそれぞれ４ユーザずつ割当てた８スロットからなるフレーム構成を考える。すなわち、上り回線は、４個の受信スロットＲＸ１，ＲＸ２，ＲＸ３，およびＲＸ４から構成され、下り回線は、４個の送信スロットＴＸ１，ＴＸ２，および図示省略したＴＸ３，およびＴＸ４から構成される。なお、１スロットは、１２０シンボルで構成されるものとする。
【００５５】
図７の例では、送信応答ベクトル推定機３２は、受信応答ベクトル計算機２２から、受信時（上り回線）の４個のスロットのうち最初のスロットＲＸ１における３点の受信応答ベクトルの測定値を受け、その結果をメモリ３４に記憶しておく。そして、送信応答ベクトル推定機３２は、それらの測定値に基づく外挿処理によって、送信時（下り回線）における４個のスロットのうちの最初のスロットＴＸ１での受信応答ベクトルを推定する。
【００５６】
より詳細に、図７において、横軸は時間軸を表わし、縦軸は受信応答ベクトルを表わしている。上り回線の最初のスロットＲＸ１の前縁部に相当するタイミングｘ２（１８シンボル目）における測定された受信応答ベクトルをｙ２とし、当該スロットＲＸ１の中央部に相当するタイミングｘ１（４３シンボル目）における測定された受信応答ベクトルをｙ１とし、当該スロットＲＸ１の後縁部に相当するタイミングｘ０（６８シンボル目）における測定された受信応答ベクトルをｙ０とする。
【００５７】
これら３点ｘ０，ｘ１，ｘ２の受信応答ベクトルｙ０，ｙ１，ｙ２から、たとえば２次外挿により、時刻ｔにおける受信応答ベクトルｙ（ｔ）を推定すると、ｙ（ｔ）は次式であらわされる。
【００５８】
【数１】

【００５９】
ここで、たとえば下り回線の最初のスロットＴＸ１の６０シンボル目、すなわち当該フレームの最初から起算して５４０シンボル目のタイミングｘにおける受信応答ベクトルｙ（ｔ）は、上記の式（１）に、ｘ０＝６８、ｘ１＝４３、ｘ２＝１８、およびｘ＝５４０を代入すると、次式のように求められる。
【００６０】
【数２】

【００６１】
図５の送信ウェイトベクトル計算機３０が、このようにして２次外挿により推定された送信応答ベクトルｙ（ｔ）に基づいて、ウィナー解などのアルゴリズムを用いて送信ウェイトベクトルを算出し、送信指向性の制御が実行される。
【００６２】
しかしながら、先にのべたように、このような外挿処理を用いた方法では、端末の移動速度が速くなり（フェージングの程度が激しくなり）、受信応答ベクトルの時間波形の変動が激しくなると、外挿誤差が大きくなるという問題点がある。特に、ＦＤ＝４０Ｈｚ程度と超えると基地局はもはや空間多重接続を維持することができなくなる。
【００６３】
そこでこの発明は、外挿処理を用いることなく下り回線のタイミングにおける受信応答ベクトルを正確に推定することにより、たとえドップラー周波数ＦＤが高い環境でも正しい送信指向性を実現しようとするものである。
【００６４】
図１は、ＤＳＰによってソフトウェア的に実行される、この発明の実施の形態による基地局２０００の構成を機能的に説明するための機能ブロック図である。
【００６５】
図１に示した基地局２０００は、以下の点で、図５に示した基地局１０００と異なっている。すなわち、受信応答ベクトル計算機２２から供給される受信応答ベクトルは、送信応答ベクトル推定機４０に与えられるとともに、移動速度判定器３６にも与えられる。
【００６６】
移動速度判定器３６は、与えられた受信応答ベクトルから、端末の移動速度に対応するドップラー周波数ＦＤを検出する。検出されたＦＤは、送信応答ベクトル推定器４０に与えられる。また、移動速度判定器３６は、検出されたＦＤの値に基づいてスイッチ切替信号を発生し、切替スイッチ３８の切替制御入力に与える。
【００６７】
移動速度判定器３６による判定原理について説明する。前述のように、伝搬路の伝搬環境は、伝搬路の受信係数の変動、すなわちフェージングの程度によって表わされ、フェージングの程度は物理量としては、ドップラー周波数ＦＤによって表現される。
【００６８】
伝搬環境におけるドップラー周波数ＦＤはたとえば次のようにして推定される。すなわち、アダプティブアレイ処理で分離された各ユーザごとの受信信号の時間的に前後する２つの受信応答ベクトルの相関値を計算する。フェージングがなければ、２つの受信応答ベクトルは一致し、相関値は１となる。一方、フェージングが激しければ受信応答ベクトルの差は大きくなり、相関値は小さくなる。
【００６９】
このような受信応答ベクトルの相関値とドップラー周波数ＦＤとの関係を予め実験的に求め、メモリ３４に保持しておけば、移動速度判定器３６は、受信応答ベクトルの相関値を算出することによって、そのときのドップラー周波数ＦＤを推定することができる。
【００７０】
送信応答ベクトル推定器４０は、与えられた受信応答ベクトルおよびドップラー周波数ＦＤに基づき、後述するこの発明の推定原理に基づいて送信応答ベクトルを推定する。
【００７１】
送信ウェイトベクトル計算機３０は、推定された送信応答ベクトルに基づいて、ウィナー解などの周知のアルゴリズムを用いて、送信ウェイトベクトルを計算する。
【００７２】
切替スイッチ３８の一方の入力には、受信ウェイトベクトル計算機２０で計算された受信ウェイトベクトルが与えられ、他方の入力には、送信ウェイトベクトル計算機３０で計算された送信ウェイトベクトルが与えられる。
【００７３】
移動速度判定器３６からは、ドップラー周波数ＦＤが１０Ｈｚ程度よりも低いと判定したときには、受信ウェイトベクトル計算機２０からの受信ウェイトベクトルを選択し、１０Ｈｚ程度より高いと判定したときには、送信ウェイトベクトル計算機３０からの送信ウェイトベクトルを選択するスイッチ切替信号が、切替スイッチ３８の切替制御入力に与えられる。
【００７４】
切替スイッチ３８で選択されたウェイトベクトルが乗算器１５−１，１５−２，１５−３，および１５−４のそれぞれの一方入力に与えられる。図１に示した基地局２０００のその他の部分の構成および動作は、図５に示した基地局１０００と同じなので、その説明はここでは繰返さない。
【００７５】
次に、図１の送信応答ベクトル推定器４０で行なわれるこの発明による送信応答ベクトルの推定原理について説明する。
【００７６】
図２は、この発明の送信応答ベクトルの推定原理を説明するための概念図である。
【００７７】
図２を参照して、（Ａ）は、受信応答ベクトルＨを構成するアンテナごとの要素（係数）のうちｉ番目のアンテナに対応する要素（係数）ｈ_iの時間軸（横軸）に沿った時間変化を模式的に表わす波形である。この図２（Ａ）の時間変化関数は、互いに異なるいくつかの周波数成分の信号波形の合成波形とみなすことができる。
【００７８】
たとえば、図２の例では、波形（Ａ）は、第１の周波数の信号波形（Ｂ）と、より高い第２の周波数の信号波形（Ｃ）と、より高い第３の周波数の信号波形（Ｄ）との合成波形とみなすことができる。
【００７９】
より一般的に、このような受信応答ベクトルのアンテナごとの係数の時間変化関数ｈ_i（ｔ）を、互いに異なるｘ種類の所定の周波数成分の信号波形ｃｏｓ（ω_xｔ）の合成波形であると考えると、この関数ｈ_i（ｔ）は、次式のように表現される。
【００８０】
【数３】

【００８１】
ここで、ｘ個の互いに異なる周波数ω₁〜ω_xを予め決めておけば、係数Ａ_i,1〜Ａ_i,xは時間変化しない定数なので、これらの係数を推定することが可能となる。これらの係数Ａ_i,1〜Ａ_i,xを推定すれば、上記の数式（３）のｈ_i（ｔ）から、下り回線の送信スロットにおける任意のタイミングｔにおける送信応答ベクトルの要素を得ることができる。
【００８２】
これらの係数Ａ_i,1〜Ａ_i,xの推定方法の一例について説明する。受信応答ベクトルの各要素の時間変化関数ｈ_i（ｔ）の値は、受信スロットの区間（上り回線）では、受信応答ベクトル計算機２２により直接測定することができる。
【００８３】
係数Ａ_i,1〜Ａ_i,xの個数がｘ個なので、受信時の１つのスロットの区間内で、ｘ以上のＭ個のタイミングで受信応答ベクトルの値を測定すると、ｔ₁〜ｔ_MのＭ個のタイミングのそれぞれで下記の式で表わされるＭ個の測定値が得られる。
【００８４】
【数４】

【００８５】
後述するように、ｘ個の互いに異なる周波数ω₁〜ω_xの値を、移動速度判定器３６で検出されたドップラー周波数ＦＤに対して所定の関係を有する値に予め決めておけば、上記の数式（４）は、係数Ａ_i,1〜Ａ_i,xを未知数とする連立方程式となる。上記のように、受信応答ベクトルの測定タイミングの数Ｍが周波数の個数ｘ以上であれば、係数Ａ_i,1〜Ａ_i,xは適当な解を持ち、この連立方程式を解くことによって係数Ａ_i,1〜Ａ_i,xの値を求めることができる。
【００８６】
このようにして求められた係数Ａ_i,1〜Ａ_i,xの値を、上記の数式（３）の時間変化関数ｈi（ｔ）の式に代入すれば、周波数ω₁〜ω_xの値はすべて既知であるから、任意の時間ｔに対して、受信応答ベクトルのｉ番目のアンテナの係数の時間変化関数ｈi（ｔ）の値を求めることができる。
【００８７】
特に、下り回線の送信スロットのタイミングｔに対し、時間変化関数ｈ_i（ｔ）を求めることにより、タイミングｔにおける受信応答ベクトルの推定が可能となり、この推定された受信応答ベクトルが送信応答ベクトルとして送信応答ベクトル推定機４０から送信ウェイトベクトル計算機３０に与えられる。
【００８８】
このような送信応答ベクトルの計算過程について図２の概念図を再度参照して説明する。上り回線の１つの受信スロットにおいて、（Ａ）に示す受信応答ベクトルの時間変化関数は、上述の数式（３）に示したように、（Ｂ）に示す所定の第１の周波数ω₁の信号波形ｃｏｓ（ω₁ｔ）と、（Ｃ）に示す所定の第２の周波数ω₂の信号波形ｃｏｓ（ω₂ｔ）と、（Ｄ）に示す所定の第３の周波数ω₃の信号波形ｃｏｓ（ω₃ｔ）とに分解することができる。
【００８９】
これら３個の信号波形のそれぞれの時間変化しない係数Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃は、上述のように受信スロット内の３点のタイミングで関数（Ａ）の測定値を得ることにより得られる連立方程式を解くことにより求めることができる。この結果、関数（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）はそれぞれ求められたことになる。
【００９０】
その上で、時間を送信スロット内の任意のタイミングｔに進めることにより、そのときの対応する信号波形（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の変化を予測し、それを合成することによって、当該送信スロットにおけるタイミングｔに対応する受信応答ベクトルを得ることができる。
【００９１】
このように、この発明の実施の形態による方法では、周波数ごとに信号波形の係数を求め、時間ｔを大きくすることで周波数ごとの信号波形の変化を予測し、そのときの信号波形を合成することにより時間ｔにおける受信応答ベクトルを推定している。
【００９２】
なお、周波数ごとの信号波形（関数）の係数の求め方は、上述のような連立方程式を解く方法に限られない。ウィナー解や、ＲＬＳ、ＬＭＳなどの周知の適応アルゴリズムを用いた演算を繰返し行なうことにより、様々な方法で係数Ａを求めることができる。
【００９３】
このような処理は、主として図１の送信応答ベクトル推定機４０によって実行される。図３は、このような送信応答ベクトルの推定処理を用いた送信指向性制御方法のフローチャートである。
【００９４】
図３を参照して、ステップＳ１において、まず図１の受信応答ベクトル計算機２２により伝搬路の推定がなされ、具体的には上り回線の受信応答ベクトルが推定される。
【００９５】
次に、ステップＳ２において、移動速度判定器３６により、前述した判定法によりフェージングの程度すなわちドップラー周波数ＦＤが推定される。
【００９６】
次に、ステップＳ３において、図１の送信応答ベクトル推定機４０により、後述する方法で、検出されたドップラー周波数ＦＤに応じた複数の周波数ωの決定がなされる。
【００９７】
次に、ステップＳ４において、送信応答ベクトル推定機４０により、ステップＳ３で決定された複数の周波数ωの信号波形ごとの係数が、数式（３）および（４）に関連して説明した方法で推定され、下り回線の伝搬路の推定、すなわち送信応答ベクトルの推定がなされる。
【００９８】
最後に、ステップＳ５において、図１の送信ウェイトベクトル計算機３０により、上述のステップＳ４で決定された下り回線の送信応答ベクトルに基づいて送信ウェイトが推定される。
【００９９】
次に、図３のステップＳ３におけるドップラー周波数ＦＤに応じた周波数ωの決定方法について説明する。
【０１００】
まず、周波数ωの個数ｘは、送信応答ベクトル推定機４０を構成する演算装置の演算精度によって予め決められる。すなわち、個数ｘをあまり多くしすぎると、求めるべき係数の数も増大し、数式（４）の方程式の数も多くなり、演算量が多くなりすぎることになる。以下に説明する例では、周波数は、ω₁〜ω₅の５種類とする。
【０１０１】
図４は、ドップラー周波数に応じた受信応答ベクトルの周波数成分ωの決定処理を示すフローチャートである。図４において、ステップＳ２は、図３におけるステップＳ２に対応し、移動速度判定器３６により、ドップラー周波数ＦＤの特に最大値を検出する。
【０１０２】
次の、ステップＳ３ａおよびステップＳ３ｂは、併せて図３のステップＳ３に対応している。まず、ステップＳ３ａにおいて、ＦＤの最大値に対し所定の関係を有するようにωの最大値であるω_MAXが決定される。たとえば、ω_MAXは、ＦＤの２π倍の値となるように設定されるものとする。
【０１０３】
次に、ステップＳ３ｂにおいて、ω₁〜ω₅が、上述のω_MAXに対し所定の関係を有するように設定される。たとえば、ω₁は、−ω_MAXに設定され、ω₂は、−ω_MAX／２に設定され、ω₃は０に設定され、ω₄は、ω_MAX／２に設定され、ω5は、ω_MAXに設定される。
【０１０４】
なお、上述の例では、ω_MAXを、ω_MAX＝２πＦＤと設定したが、一定のマージンを持たせて、ω_MAX＝２π（ＦＤ＋Ｆ_MARGIN）としてもよい。
【０１０５】
なお、ドップラー周波数ＦＤが１０Ｈｚ程度よりも低ければ、端末はほとんど移動していないものと推測される。このようにほとんど止まってしまっている端末に対し、送信応答ベクトル推定機４０によって上述のような複雑な送信応答ベクトル推定のための計算を行なうとかえって誤差が生じる恐れがあり、このように止まっている端末に対しては、受信時の受信応答ベクトルをそのままコピーして送信指向性の制御に使う方が好ましいと考えられる。
【０１０６】
そこで、移動速度判定器３６のＦＤの判定結果に基づいて、検出されたＦＤが１０Ｈｚ程度よりも低い場合には、切替スイッチ３８は、受信ウェイトベクトル計算機２０で計算された受信ウェイトベクトルを選択してそのまま送信ウェイトベクトルとして乗算器１５−１，１５−２，１５−３，１５−４に与える。
【０１０７】
一方、検出されたＦＤが１０Ｈｚ程度よりも高い場合には、切替スイッチ３８は、送信ウェイトベクトル計算機３０で新たに計算された送信ウェイトベクトルを選択して乗算器１５−１，１５−２，１５−３，１５−４に与える。
【０１０８】
この結果、ドップラー周波数ＦＤに応じたより正確で無駄のない送信指向性制御が可能となる。
【０１０９】
以上の説明では、数式（４）の連立方程式を得るための受信応答ベクトルの測定は、上り回線の１つの送信スロット内に、方程式を解くために必要な個数のタイミングを設定して行なっていた。しかしながら、受信応答ベクトルを測定するタイミングは、１つの送信スロット内に集中して設定する必要はなく、上り回線内の２つまたはそれ以上の送信スロットに分散して設定してもよい。
【０１１０】
このように複数の送信スロットに分散したタイミングでの受信応答ベクトル測定値を用いることにより、受信応答ベクトルの時間軸上の広範囲の変化を加味した推定処理が可能となり、送信応答ベクトルの推定精度を格段に向上させることが可能となる。
【０１１１】
以上のように、この発明の実施の形態による送信指向性制御方法では、受信応答ベクトルを周波数ごとの信号波形に分解してその係数を求め、時間ｔを大きくすることで周波数ごとの信号波形の変化を予測し、そのときの信号波形を合成することにより時間ｔにおける受信応答ベクトルを推定している。これにより、従来の外挿処理の場合のようにフェージングの影響によって誤差を生じることなく、送信応答ベクトルを推定することができ、正確な送信指向性の制御が可能となる。具体的には、コンピュータシミュレーションの結果、ドップラー周波数ＦＤが１００Ｈｚ程度を超えるような端末の高速移動の場合であっても、基地局に対する空間多重接続を維持することができることが確認された。
【０１１２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１１３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、たとえ端末の移動速度が速く、伝搬環境の変動が激しい場合であっても、推定された受信応答ベクトルを複数周波数の関数の合成波形とみなし、関数ごとに下り回線における時間変化を予測して合成することにより、下り回線における送信応答ベクトルを正確に推定することができ、ひいては良好な送信指向性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態による無線基地システムの構成を示す機能ブロック図である。
【図２】この発明による送信応答ベクトルの推定原理を説明するための概念図である。
【図３】図１の無線基地システムの送信指向性制御の基本的な動作を説明するフローチャートである。
【図４】ドップラー周波数に応じた受信応答ベクトルの周波数成分の決定処理を示すフローチャートである。
【図５】従来の送信応答ベクトル推定処理を行なうための無線基地システムの構成を示す機能ブロック図である。
【図６】図５の無線基地システムの従来の送信指向性制御の基本的な動作を説明するフローチャートである。
【図７】従来の外挿処理による送信応答ベクトルの推定原理を説明するための概念図である。
【符号の説明】
ＳＲ１受信部、ＳＴ１送信部、＃１〜＃４アンテナ、１０−１〜１０−４スイッチ回路、１２−１〜１２−４乗算器、１３加算器、１５−１〜１５−４乗算器、２０受信ウェイトベクトル計算機、２２受信応答ベクトル計算機、３０送信ウェイトベクトル計算機、３２，４０送信応答ベクトル推定機、３４メモリ、３６移動速度判定器、３８切替スイッチ、１０００，２０００無線基地システム（基地局）。

Claims

離散的に配置された複数のアンテナの指向性をリアルタイムに変更し、複数の端末との間で信号の送受信を行なう無線基地システムであって、
前記複数のアンテナで受信した信号に基づいて、前記複数の端末のうち特定の端末からの信号を分離するためのウェイトベクトルを算出する受信信号分離手段と、
前記複数のアンテナで受信した信号に基づいて、前記特定の端末からの伝搬路の受信応答ベクトルを推定する受信応答ベクトル推定手段と、
前記受信応答ベクトル推定手段の推定結果に基づいて、送信時における前記伝搬路の送信応答ベクトルを推定する送信応答ベクトル推定手段と、
前記送信応答ベクトル推定手段の推定結果に基づいて、前記アンテナの送信指向性を制御する送信指向性制御手段とを備え、
前記送信応答ベクトル推定手段は、
前記受信応答ベクトル推定手段によって推定された受信応答ベクトルの各アンテナの要素の時間変化関数を、所定数の互いに異なる所定の周波数成分の信号波形の合成波形とみなして、それぞれの周波数成分の信号波形の送信時の任意のタイミング位置における時間変化を予測して前記送信応答ベクトルを合成するベクトル予測手段を含み、
前記ベクトル予測手段は、
前記それぞれの周波数成分の信号波形の係数を推定する係数推定手段と、
前記推定された係数および前記所定の周波数成分に基づいて、送信時における任意のタイミング位置における前記送信応答ベクトルを算出する算出手段とを含み、
前記無線基地システムは、
前記端末の移動速度を表わすドップラー周波数を検出する移動速度検出手段をさらに備え、
前記係数推定手段は、前記互いに異なる所定の周波数成分を、前記検出されたドップラー周波数に応じて決定する、無線基地システム。
前記係数推定手段は、前記互いに異なる所定の周波数成分を、前記検出されたドップラー周波数の最大値に対して所定の関係を有するように決定する、請求項１に記載の無線基地システム。
前記送信指向性制御手段は、
前記検出されたドップラー周波数が前記端末がほとんど移動していないことを示す範囲の値であるときには、前記送信応答ベクトル推定手段の推定結果に代えて、前記受信信号分離手段によって算出された前記ウェイトベクトルに基づいて、前記アンテナの送信指向性を制御する、請求項１に記載の無線基地システム。
離散的に配置された複数のアンテナの指向性をリアルタイムに変更し、複数の端末との間で信号の送受信を行なう無線基地システムにおける送信指向性制御方法であって、
前記複数のアンテナで受信した信号に基づいて、前記複数の端末のうち特定の端末からの信号を分離するためのウェイトベクトルを算出するステップと、
前記複数のアンテナで受信した信号に基づいて、前記特定の端末からの伝搬路の受信応答ベクトルを推定するステップと、
前記推定された受信応答ベクトルに基づいて、送信時における前記伝搬路の送信応答ベクトルを推定するステップと、
前記推定された送信応答ベクトルに基づいて、前記アンテナの送信指向性を制御するステップとを備え、
前記送信応答ベクトルを推定するステップは、
前記推定された受信応答ベクトルの各アンテナの要素の時間変化関数を、所定数の互いに異なる所定の周波数成分の信号波形の合成波形とみなして、それぞれの周波数成分の信号波形の送信時の任意のタイミング位置における時間変化を予測して前記送信応答ベクトルを合成するステップを含み、
前記合成するステップは、
前記それぞれの周波数成分の信号波形の係数を推定するステップと、
前記推定された係数および前記所定の周波数成分に基づいて、送信時における任意のタイミング位置における前記送信応答ベクトルを算出するステップとを含み、
前記送信指向性制御方法は、
前記端末の移動速度を表わすドップラー周波数を検出するステップをさらに備え、
前記係数を推定するステップは、
前記互いに異なる所定の周波数成分を、前記検出されたドップラー周波数に応じて決定するステップを含む、送信指向性制御方法。
前記係数を推定するステップは、
前記互いに異なる所定の周波数成分を、前記検出されたドップラー周波数周波数の最大値に対して所定の関係を有するように決定するステップを含む、請求項４に記載の送信指向性制御方法。
前記アンテナの送信指向性を制御するステップは、
前記検出されたドップラー周波数が前記端末がほとんど移動していないことを示す範囲の値であるときには、前記推定された送信応答ベクトルに代えて、前記算出されたウェイトベクトルに基づいて、前記アンテナの送信指向性を制御するステップを含む、請求項４に記載の送信指向性制御方法。