JP4633667B2

JP4633667B2 - アレーアンテナ送信装置

Info

Publication number: JP4633667B2
Application number: JP2006096234A
Authority: JP
Inventors: 良晃天野; 隆井上
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007274251A

Description

本発明は、移動体通信において、空間角度広がりを推定して送信するアレーアンテナ送信装置に関する。

従来、周波数分割複信（Frequency Division Duplex:ＦＤＤ）方式のセルラーシステムの基地局にアレーアンテナを用いた送信ビーム制御を適用し、所望ユーザ方向に利得の高いビーム、干渉ユーザ方向に低利得となるヌルを形成することで、ビーム多重による空間分割多元接続（Space Division Multiple Access:ＳＤＭＡ）を実現するＦＤＤ／ＳＤＭＡセルラーシステムが知られている。

ＦＤＤ／ＳＤＭＡセルラーシステムにおいては、空間領域を用いるＳＤＭＡをこれまでの周波数および時間領域を用いた無線技術と組み合せることで、周波数利用効率を向上させることが可能となる。

上記ＦＤＤ／ＳＤＭＡセルラーシステムの送信ビーム制御は、送信ビーム制御を行う基地局側でアレーアンテナの各アンテナ素子と移動局の受信アンテナ間の下り回線周波数における伝搬路特性（下り回線空間ベクトル）が必要となる。

下り回線空間ベクトルを取得する方法として、アレーアンテナ構成状態で各アンテナ素子間の水平面の相対レベル・位相放射特性（アレーアンテナ特性）を予め推定・測定して保持し、上り回線の受信信号を用いて移動局の方向推定を行い、対応する下り回線周波数のアレーアンテナ特性を下り回線空間ベクトルとして代用する方法がある（例えば、非特許文献１参照）。

上記方式に対し、セルラー基地局と移動局間の実際の伝搬路特性が、空間的に移動局方向を中心とした空間角度広がりを生じるため、上り回線の受信信号を用いた空間角度広がり推定を用い、空間角度広がりに応じて適応的にビームおよびヌルを形成する方式が考えられている（例えば、特許文献１参照）。

本方式によれば、実伝搬環境の空間角度広がりを考慮することによりビーム多重によるビーム間干渉の抑圧を向上させることができ、さらなる高速伝送および周波数利用効率の向上を実現できる。

一方、ＦＤＤ／ＳＤＭＡセルラーシステムを符号分割多元接続（Code Division Multiple Access:ＣＤＭＡ）方式に適用したＦＤＤ／ＳＤＭＡ／ＣＤＭＡセルラーシステムでは、ＣＤＭＡを実現するスペクトル拡散技術により、時間領域で複数パスの分離検出が可能となる。

したがって、ＦＤＤ／ＳＤＭＡ／ＣＤＭＡセルラーシステムで高速伝送および周波数利用効率の向上を実現するためには、パス毎の受信信号に基づいた到来方向推定、空間角度広がり推定および送信ビーム制御の実現方法が必要となる。
Liang Ying-Chang, F.P.S. Chin, "Downlink channel covariance matrix (DCCM) estimation and its applications in wireless DS-CDMA systems," IEEE Journal on Selected Areas in Commun., Vol.19, No.2, p.p.222-232, Feb. 2001 特開２００４−８０６０４号公報

しかし、特許文献１で開示された解決手段では、単一の上り回線受信信号に基づく相関行列を用いて空間角度広がりを推定しており、パス毎の受信信号に基づいた到来方向推定、空間角度広がり推定および送信ビーム制御を実現することはできない。本発明は上記事情を考慮してなされたもので、複数パスの各受信信号に基づいた空間角度広がりを考慮した送信ビーム制御を実現することを目的としている。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、移動局への伝搬路特性を推定して送信を行う送信装置であって、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、前記アレーアンテナによる受信信号に基づいて前記移動局との間に形成される伝搬路を検出する伝搬路検出手段と、前記伝搬路検出手段で検出された伝搬路毎に、該伝搬路を経由して前記複数のアンテナ素子の各々で受信した信号を復調する復調手段と、前記複数のアンテナ素子の各々に対応して前記復調手段で復調された信号間の相関行列を求める相関行列演算手段と、前記伝搬路検出手段で検出された伝搬路毎に前記相関行列演算手段で求められた相関行列を加算する相関行列加算手段と、前記相関行列加算手段の加算結果に基づいて前記移動局の存在する方向を推定する移動局方向推定手段と、前記相関行列加算手段の加算結果に基づいて前記移動局との間に形成される伝搬路の空間角度広がりを推定する空間角度広がり推定手段と、下り回線周波数におけるアレーアンテナ特性を記憶するアレーアンテナ特性記憶手段と、前記移動局方向推定手段と空間角度広がり推定手段とによる推定結果と前記アレーアンテナ特性とに基づいて、前記アレーアンテナから送信する送信ビームの重み付けである送信アレー重みベクトルを算出する送信ビーム制御手段と、前記送信ビーム制御手段で算出された送信アレー重みベクトルに基づいて、前記アレーアンテナを構成する各アンテナ素子から出力する送信ビームを形成する送信ビーム形成手段とを具備することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記空間角度広がり推定手段における空間角度広がりの推定は、前記相関行列加算手段で加算後の相関行列を固有値分解して求めた固有値に基づいて行うことを特徴とする。

本発明によれば、移動機受信において、所望信号についてはＲＡＫＥ合成による受信信号品質の向上を高めることができ、また、干渉信号については遅延波に対しても抑圧することが可能となり、ＳＤＭＡを用いた高品質な通信を実現する送信ビーム制御を実現できる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかるアレーアンテナ送信装置の構成を示す構成図である。

図１において、符号１１は、Ｎ個のアンテナ素子から構成される水平面アレー配置型のアレーアンテナ部である。符号１２は、アレーアンテナ部１１で受信し受信相関行列演算部１３へと出力される信号と、送信ビーム形成部１８から出力されアレーアンテナ部１１より送信される信号とをフィルタにより分離し、アレーアンテナ部１１で送受信を同時に行えるようにするための周波数共用器である。

符号１３は、アレーアンテナ部１１で受信した信号の復調と各復調信号間の相関行列を求める受信相関行列演算部（相関行列演算手段）であり、受信復調部１３１とパス検出部１３２と相関行列加算部１３３とから構成される。なお、受信相関行列演算部１３では、受信復調部１３１〜１３３の回路を同時に送信するユーザ数Ｋだけ備える。

受信復調部１３１（復調手段）は、パス検出部１３２で検出可能なパス数Ｌのそれぞれに対して、アレーアンテナ部１１の各アンテナで受信した信号を復号し、各復調信号間の相関行列を演算するものである。パス検出部１３２（伝搬路検出手段）は、送信信号に適用された符号と同じ符号で逆拡散を行い、パス及びパスのタイミングを検出するものである。

相関行列加算部１３３（相関行列加算手段）は、Ｌ個の各パスに対して受信復調部１３１で求められた相関行列を加算処理するものである。なお、受信信号から相関行列を求める方法に関しる詳細に関しては後述する。

符号１４は移動局の方向を推定する水平面方向推定部（移動局方向推定手段）であり、符号１５は各移動局に対応する伝搬路の空間角度広がりを推定する空間角度広がり推定部（空間角度広がり推定手段）である。符号１６は、送信ビーム制御部（送信ビーム制御手段）であり、水平面方向推定部１３及び角度広がり推定部１５の推定結果と、事前に測定してアレーアンテナ特性記憶部１７（アレーアンテナ特性記憶手段）に記憶されたアレーアンテナ特性を用いて、各移動局用の送信アレー重みベクトルを算出し、送信ビーム形成部に出力して送信ビーム制御を行う。

符号１８は、アレーアンテナ部１１から送信する送信ビームを形成する送信ビーム形成部（送信ビーム形成手段）であり、同時に送信するユーザ数Ｋのそれぞれに対して、送信ビーム制御部１６から送信アレー重みベクトルを入力し、各ユーザの移動局への変調送信信号に重み付けをし、周波数共用器１２を介してアレーアンテナ部１１から出力させるものである。

次に、上述した実施形態の動作について、図２から図４を参照して説明する。
図２及び図３は、セルラー基地局と移動局との無線通信における空間角度広がりの概要を示した図である。

図２において、セルラー基地局のアンテナは、一般に周囲の建物より高い場所に設置される。この場合、基地局から見た移動局に対する伝搬路は、移動局の周辺で反射・回折等を伴うため、例えばＲ１〜Ｒ４の４つの伝搬路が存在し、空間的に角度方向に広がりが生じる。一般的には、移動局方向を中心として角度方向に分散を伴うことが知られている。

また、伝搬環境によっては、図３に示すように、離れた場所に高層ビル等の高い建物が存在する場合がある。この場合、伝搬路Ｒ５〜Ｒ８で高い建物で反射した信号が、大きな遅延を伴った電波（遅延波）として移動局に到着する。これらの遅延波についても、図２と同様に空間角度広がりを伴う。

上記の遅延波は、干渉成分として通信回線の品質を劣化させる要因となる。これに対して、時間的な分解能が高いスペクトラム拡散技術を用いたＣＤＭＡ方式では、伝搬路Ｒ１〜Ｒ４、伝搬路Ｒ５及びＲ６、伝搬路Ｒ７及びＲ８のそれぞれを３つの独立したパスとして識別して検出することが可能であり、それぞれを合成するＲＡＫＥ合成技術を用いることで、通信回線の品質を向上させることが可能となる。

従来技術で用いられている、ＣＤＭＡ方式の受信回路ブロック図を図４に示す。ＣＤＭＡ方式では、送信信号は、スペクトラム拡散技術によって時間分解能が高い符号の積算により周波数領域で拡散されている。

図４の受信回路では、アンテナ部２１を通して受信した信号は、パス検出部２３において同じ符号を用いて逆拡散し、パスおよびパスタイミングの検出を行う。そして、検出したパスタイミングに基づいて、それぞれのパス毎に復調部２２で復調し、それらをＲＡＫＥ合成部２４で合成して受信信号として出力する。

上記のＲＡＫＥ合成技術を用いた従来のＣＤＭＡ方式に対し、本実施形態のアレーアンテナ送信装置では、空間角度広がり推定を用いた送信ビーム制御を適用する。続いて、空間角度広がり推定を用いた送信ビーム制御に関して詳細に説明する。

本実施形態において、アレーアンテナ部１１におけるアンテナ素子数はＮであり、同時に送信するユーザ数すなわち移動局の数はＫであり、パス検出部１３２検出可能な最大パス数はＬである。第ｎアンテナ素子（ｎ＝１,２，・・・，Ｎ）で受信した信号をｒ_ｎとし、第ｋ移動局（ｋ＝１，２，…，Ｋ）の第ｌ番目（ｌ＝１，２，…，Ｌ）の検出パスに対する復調信号をｒ_ｎ ^（ｋｌ）とすると、受信復調部１３１内の相関行列演算部で出力する相関行列Ｒ^{（ｋ，ｌ）}は（１）式で表される。

ここで、*は複素共役を表す。
本実施形態では、パス毎に求めた相関行列Ｒ_Ｒｘ ^{（ｋ，ｌ）}を相関行列加算部１３３でパス数分加算し、移動局あたりの相関行列Ｒ_Ｒｘ ^（ｋ）として用いる。

水平面方向推定部１４および空間角度広がり推定部１５は、（２）式で求めた移動局毎の相関行列Ｒ_Ｒｘ ^（ｋ）を用いて方向および空間角度広がりをそれぞれ推定する。方向推定については、従来のビームフォーマ法、ＭＵＳＩＣ法およびＥＳＰＲＩＴ法等を用いて実現する。

空間角度広がりについては、相関行列Ｒ_Ｒｘ ^（ｋ）を固有値分解によりＮ個の固有値を求め、その最大の固有値ｅ_１ｓｔと２番目に大きい固有値ｅ_２ｎｄの比ＲＥＶ_１２から推定を行う。
ＲＥＶ_１２＝ｅ_１ｓｔ／ｅ_２ｎｄ

以下、空間角度広がりを推定する方法に関して説明する。
空間角度広がり推定方法では、空間伝搬路確率密度関数を用いて予め計算により第１・２固有値比ＲＥＶ_１２を変数にもつ空間角度広がり関数ＡＳ（ＲＥＶ_１２）を求めておき、上記で受信信号から求めたＲＥＶ_１２値から空間角度広がり関数ＡＳ（ＲＥＶ_１２）を通して空間角度広がりを推定する。
空間伝搬路確率密度関数は、送信点方向を中心として、アレーアンテナ送信装置の位置を中心とした到来方向θおよび空間角度広がりσを変数にもつ、任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，σ）を設定する。

ここで、到来方向θを変数にもつ受信周波数におけるアレーアンテナ素子の放射特性関数をベクトルとした、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）を用いる。
Ｄ（θ）＝（ｄ_１（θ），ｄ_２（θ），…，ｄ_Ｎ（θ））

アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）を用いて、空間角度広がりσを変数にもつアレー受信信号ベクトル関数ｙ´（σ）を算出する。
ｙ´（σ）＝（ｙ´_１（σ），ｙ´_２（σ），…，ｙ´_Ｎ（σ））
アレー受信信号ベクトル関数ｙ´（σ）のｎ番目の要素ｙ´_ｎ（σ）は、次式で求められる。
ｙ´_ｎ（σ）＝∫_θａ_ｎ（θ，σ）・ｄ_ｎ（θ）ｄθ

次に、算出されたアレーアンテナ受信信号ベクトル関数ｙ´（σ）より、空間角度広がりσを変数にもつＮ^２の要素を持つ相関行列関数Ｒ´（σ）を算出する。相関行列関数Ｒ´（σ）のｉ行ｊ列目の要素ｒ´_ｉｊ（σ）は、次式で求められる。
ｒ´_ｉｊ（σ）＝ｙ´_ｉ（σ）×ｙ´_ｊ ^＊（σ）

例えば、相関行列は次式により与えられる。

ここで、Ａ（φ）は、空間特性の平均電力密度関数であり、移動局方向を中心として正規分布型に広がるモデルを仮定する。また、Ｖ（φ）はアンテナ素子放射特性ベクトル関数である。

φ_０は到来信号の中心方向を表す。

算出された相関行列関数Ｒ´（σ）から、固有値分解により、空間角度広がりσを変数にもつアレーアンテナ素子数Ｎ個の固有値を要素にもつ固有値ベクトル関数ｅ´（σ）を算出する。
ｅ´（σ）＝（ｅ´_１（σ），ｅ´_２（σ），…，ｅ´_Ｎ（σ））

そして、算出された固有値ベクトル関数ｅ´（σ）から、第１固有値関数ｅ´_１ｓｔ（σ）と第２固有値関数ｅ´_２ｎｄ（σ）を抽出し、次式で与えられる空間角度広がりσを変数にもつ第１・２固有値比関数ＲＥＶ_１２´（σ）を算出する。
ＲＥＶ_１２´（σ）＝ｅ´_１ｓｔ（σ）／ｅ´_２ｎｄ（σ）

算出した第１・２固有値比関数ＲＥＶ_１２´（σ）は、空間角度広がりσを変数としているため、第１・２固有値比ＲＥＶ_１２を変数とすることにより、空間角度広がり関数ＡＳ（ＲＥＶ_１２）を求めることができる。本空間角度広がり関数ＡＳ（ＲＥＶ_１２）に対して、受信信号から求めたＲＥＶ_１２値を用いることで、空間角度広がりσを推定することができる。

以上述べた方法で推定された方向θおよび空間角度広がりσは送信ビーム制御部１６へと入力される。第ｋ移動局に対する方向推定値および空間角度広がり推定値をそれぞれθ^（ｋ）およびσ^（ｋ）とすると、送信ビーム制御部１６で算出される送信アレー重みベクトルＷ^（ｋ）は（３）式及び（４）式により算出することができる。

ここで、ｅｉｇ（Ｘ）は、行列Ｘの固有値分解して得られる最大の固有値に対応する固有ベクトル、Ｎ_０は、仮想雑音電力を表す。また、Ａ（θ，σ，θ^（ｌ））は、空間角度広がり推定部１５で用いた下り回線の第ｌユーザに対する空間角度広がりの分布関数であり、ユーザ方向θ^（ｌ）を中心として空間角度広がりである標準偏差σで方向θを変数にもつ関数である。正規分布を用いた場合では、（５）式で表される。

また、Ｖ（θ）は、下り回線周波数において事前に推定もしくは測定したアレーアンテナを構成するアンテナ素子の放射特性であり、水平面方向θとすると、ベクトル関数Ｖ（θ）として（６）式で表される。

ここで、ν_ｎ（θ）は、アレー構成状態での第ｎアンテナ素子の放射特性であり、レベルおよび位相情報からなる複素数関数である。

そして、送信ビーム形成部１８では、同時送信する第ｋユーザ毎に、時間ｔを変数に持つ変調送信信号ｓ^（ｋ）（ｔ）をアレーアンテナ部１１のアンテナ素子数であるＮ個に分配し、送信アレー重みを積算する。出力される送信信号ベクトルＳ^（ｋ）（ｔ）は（７）式で表される。

送信ビーム形成部１８から出力された同時送信ユーザ数分の送信信号は、アンテナ素子毎に加算され、水平面アレー配置型のアレーアンテナ部１１から送信される。水平面アレー配置型のアレーアンテナ部１１から送信される信号Ｓ（ｔ）は、次式で表される。

本実施形態では、（２）式を用いて、検出したパスを合計した相関行列を用いることにより、所望信号および干渉信号についてそれぞれ遅延波の方向も含めてビームおよびヌルの形成を実現することができる。その結果、所望信号についてはＲＡＫＥ合成による受信信号品質の向上を高めることができ、また、干渉信号については遅延波に対しても抑圧することが可能となる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、移動機受信において、所望信号についてはＲＡＫＥ合成による受信信号品質の向上を高めることができ、また、干渉信号については遅延波に対しても抑圧することが可能となり、ＳＤＭＡを用いた高品質な通信を実現する送信ビーム制御が可能となる。

本発明は、複数パスの各受信信号に基づいた空間角度広がりを考慮して送信ビーム制御を行うことで高速伝送および周波数利用効率の向上を実現可能な、ＦＤＤ／ＳＤＭＡ／ＣＤＭＡセルラーシステム等に用いて好適である。

本発明の一実施形態に係るアレーアンテナ送信装置の構成を示す構成図である。セルラー基地局と移動局との無線通信における空間角度広がりの概要を示した図である。図２において、さらに大きな遅延波が存在する時の空間角度広がりの概要を示した図である。従来技術における、ＣＤＭＡ方式の受信回路を示すブロック図である。

符号の説明

１１ … アレーアンテナ部
１２ … 周波数共用器
１３ … 受信相関行列演算部（相関行列演算手段）
１４ … 水平面方向推定部（移動局方向推定手段）
１５ … 空間角度広がり推定部（空間角度広がり推定手段）
１６ … 送信ビーム制御部（送信ビーム制御手段）
１７ … アレーアンテナ特性記憶部（アレーアンテナ特性記憶手段）
１８ … 送信ビーム形成部（送信ビーム形成手段）
１３１… 受信復調部（復調手段）
１３２… パス検出部（伝搬路検出手段）
１３３… 相関行列加算部（相関行列加算手段）

Claims

移動局への伝搬路特性を推定して送信を行うアレーアンテナ送信装置であって、
複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、
前記アレーアンテナによる受信信号に基づいて前記移動局との間に形成される伝搬路を検出する伝搬路検出手段と、
前記伝搬路検出手段で検出された伝搬路毎に、該伝搬路を経由して前記複数のアンテナ素子の各々で受信した信号を復調する復調手段と、
前記複数のアンテナ素子の各々に対応して前記復調手段で復調された信号間の相関行列を求める相関行列演算手段と、
前記伝搬路検出手段で検出された伝搬路毎に前記相関行列演算手段で求められた相関行列を加算する相関行列加算手段と、
前記相関行列加算手段の加算結果に基づいて前記移動局の存在する方向を推定する移動局方向推定手段と、
前記相関行列加算手段の加算結果に基づいて前記移動局との間に形成される伝搬路の空間角度広がりを推定する空間角度広がり推定手段と、
下り回線周波数におけるアレーアンテナ特性を記憶するアレーアンテナ特性記憶手段と、
前記移動局方向推定手段と空間角度広がり推定手段とによる推定結果と前記アレーアンテナ特性とに基づいて、前記アレーアンテナから送信する送信ビームの重み付けである送信アレー重みベクトルを算出する送信ビーム制御手段と、
前記送信ビーム制御手段で算出された送信アレー重みベクトルに基づいて、前記アレーアンテナを構成する各アンテナ素子から出力する送信ビームを形成する送信ビーム形成手段と
を具備することを特徴とするアレーアンテナ送信装置。
前記空間角度広がり推定手段における空間角度広がりの推定は、前記相関行列加算手段で加算後の相関行列を固有値分解して求めた固有値に基づいて行うことを特徴とする請求項1に記載のアレーアンテナ送信装置。