JP4699154B2

JP4699154B2 - 受信装置、受信方法

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Publication number: JP4699154B2
Application number: JP2005283876A
Authority: JP
Inventors: 健太沖野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: JP2007096781A

Description

本発明は、無線通信システムに係る受信装置、受信方法に関する。

従来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は、各アンテナ素子で受信された受信信号と参照信号（トレーニング信号やパイロット信号等の既知信号）から相関値又は位相差を計算し、その計算結果に基づいて、受信信号を重み付けする重み値の初期値（初期ウェイト）を設定している（例えば、特許文献１、２参照）。また、各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、その固有ベクトルの一対の成分に基づいて、初期ウェイトを設定するものが知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００４−１７３０２０号公報特開２００１−１６０７７２号公報特開２０００−３４９６９６号公報

しかし、上述した従来の受信装置では、以下に示すような問題がある。
上記特許文献１、２に開示される受信装置では、初期ウェイトによって所望波方向にアダプティブアレーアンテナのビームを向けることはできるが、干渉波による影響を十分に打ち消すことができない可能性がある。このため、受信信号と参照信号との平均二乗誤差があまり小さくならず、結果的に収束時間が長くなる恐れがある。
上記特許文献３に開示される受信装置では、各アンテナ素子の受信信号の相関から、固有値の小さい方に対応する固有ベクトルを初期ウェイトに用いることによって、強い信号の方向にアダプティブアレーアンテナのビームのヌルを向けることはでき、干渉波の受信電力の方が所望波よりも強いときには干渉波による影響を抑圧することができる。しかしながら、所望波と干渉波の受信電力が同じくらい、或いは所望波の受信電力の方が大きい場合には、誤って所望波の方をキャンセルしてしまう初期ウェイトが設定される恐れがある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、アダプティブアレーアンテナにおける重み計算の収束時間の短縮を図るとともに、受信品質の向上を図ることのできる受信装置及び受信方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、以下の手段を採用した。
本発明に係る受信装置は、複数のアンテナ素子で無線信号を受信する受信部と、複数の既知信号を記憶する記憶部と、無線通信が開始された時、前記記憶部に記憶された複数の既知信号のうち、自装置に割り当てられた第１の既知信号と前記受信信号とのベクトル演算、及び、前記記憶部に記憶された複数の既知信号のうち、前記第１の既知信号以外の第２の既知信号と前記受信信号とのベクトル演算をそれぞれ行ない、前記受信信号と第１の既知信号、及び、前記受信信号と第２の既知信号のそれぞれの振幅又は位相の関係を算出するベクトル演算部と、前記ベクトル演算部の算出結果から、前記各アンテナ素子で受信された受信信号を重み付けするための重み値の初期値を算出する初期値算出部と、前記無線通信において、前記初期値算出部で算出された初期値の重み値を、所望信号の受信品質が改善するように更新する適応演算部と、を備えることを特徴とする。

また、前記ベクトル演算部は、前記各既知信号に対する前記受信信号のベクトル相関値を算出することを特徴とする。

本発明に係る受信方法は、複数のアンテナ素子で無線信号を受信する受信部を備えた受信装置における受信方法において、前記受信装置には、複数の既知信号が記憶されており、無線通信が開始された時、前記記憶された複数の既知信号のうち、自装置に割り当てられた第１の既知信号と受信信号とのベクトル演算、及び、前記記憶された複数の既知信号のうち、前記第１の既知信号以外の第２の既知信号と前記受信信号とのベクトル演算をそれぞれ行ない、前記受信信号と第１の既知信号、及び、前記受信信号と第２の既知信号のそれぞれの振幅又は位相の関係を算出するベクトル演算過程と、前記ベクトル演算過程における算出結果から、前記各アンテナ素子で受信された受信信号を重み付けするための重み値の初期値を算出する初期値算出過程と、前記無線通信において、前記初期値算出過程で算出された初期値の重み値を、所望信号の受信品質が改善するように更新する適応演算過程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、アダプティブアレーアンテナにおける重み計算の収束時間の短縮を図るとともに、受信品質の向上を図ることができる。

以下、図面を参照し、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係る無線通信システムの構成を示すブロック図である。図１において、無線端末１及び２は、それぞれ基地局３との間で無線信号を送受する。無線端末１にとって、基地局３から無線端末１に向けて送信される無線信号は所望信号であり、無線端末２と基地局３の間で送受される無線信号は干渉信号である。

無線端末１が基地局３と無線通信を開始すると、当該無線通信システムで利用できるトレーニングシーケンスＴＳ１，ＴＳ２，・・・，ＴＳＮの中から、１つのトレーニングシーケンス（本実施例では便宜上、ＴＳ１とする）が無線端末１に割り当てられる。その割り当てられたトレーニングシーケンスＴＳ１のことを、以下、所望トレーニングシーケンスＴＳ１と称する。また、その所望トレーニングシーケンスＴＳ１以外のトレーニングシーケンスＴＳ２，ＴＳ３，・・・，ＴＳＮは、無線端末１以外の無線端末２に割り当てられるものであり、以下、干渉トレーニングシーケンスＴＳ２，ＴＳ３，・・・，ＴＳＮと称する。各無線端末１，２は、当該無線通信システムで利用できるトレーニングシーケンスＴＳ１，ＴＳ２，・・・，ＴＳＮの全てを予めメモリに記憶している。

図２は、本実施形態に係る受信装置１０の構成を示すブロック図である。その受信装置１０は、図１に示す無線端末１に具備されている。
図２において、２つのアンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２は無線端末１に具備されている。アンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２はアレーアンテナを構成する。無線受信部１１は、アンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２を介してそれぞれ無線信号を受信し、所定の受信処理を行う。アンテナ素子ＡＮＴ１を介して受信された無線信号は、その受信処理後の受信信号Ｘ１として無線受信部１１から出力される。また、アンテナ素子ＡＮＴ２を介して受信された無線信号は、その受信処理後の受信信号Ｘ２として無線受信部１１から出力される。

アダプティブアレイアンテナ（ＡＡＡ）受信部１２は、受信信号Ｘ１，Ｘ２と、ウェイト更新部１７から受け取った各アンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２に対応するウェイト（重み値）ｗ１，ｗ２とを用いて、重み付け合成処理を行う。

トレーニングシーケンス（ＴＳ）記憶部１３は、図１の無線通信システムで利用できるトレーニングシーケンスＴＳ１，ＴＳ２，・・・，ＴＳＮの全てを予め記憶している。ＴＳ読み出し部１４は、自無線端末１に割り当てられた所望トレーニングシーケンスＴＳ１をＴＳ記憶部１３から読み出す。また、少なくとも１つ以上の干渉トレーニングシーケンスＴＳ２，・・・，ＴＳＭをＴＳ記憶部１３から読み出す（但し、Ｍ≦Ｎ）。例えば、全ての干渉トレーニングシーケンスＴＳ２，・・・，ＴＳＮを読み出す（この場合、Ｍ＝Ｎ）。

ＴＳ複素相関計算部１５−１，１５−２は、それぞれアンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２に対応して設けられている。ＴＳ複素相関計算部１５−１，１５−２は、ＴＳ読み出し部１４から、所望トレーニングシーケンスＴＳ１及び干渉トレーニングシーケンスＴＳ２，・・・，ＴＳＭを受け取る。また、無線受信部１１からそれぞれ対応する受信信号Ｘ１，Ｘ２を受け取る。

ＴＳ複素相関計算部１５−１は、受信信号Ｘ１と、所望トレーニングシーケンスＴＳ１及び干渉トレーニングシーケンスＴＳ２，・・・，ＴＳＭとの各複素相関値Ｒ１１，Ｒ１２，・・・，Ｒ１Ｍを計算する。同様に、ＴＳ複素相関計算部１５−２は、受信信号Ｘ２と、所望トレーニングシーケンスＴＳ１及び干渉トレーニングシーケンスＴＳ２，・・・，ＴＳＭとの各複素相関値Ｒ２１，Ｒ２２，・・・，Ｒ２Ｍを計算する。

図３は、ＴＳ複素相関計算部１５−１（１５−２）の構成を示すブロック図である。図３において、ＴＳ複素相関計算部１５−１（１５−２）は、複素相関計算部２１を有する。複素相関計算部２１は、所望トレーニングシーケンスＴＳ１及び干渉トレーニングシーケンスＴＳ２，・・・，ＴＳＭの各々に対応して設けられる。複素相関計算部２１は、受信信号Ｘ１（Ｘ２）と該当トレーニングシーケンスＴＳｍとのベクトル演算を行って複素相関値Ｒ１ｍ（Ｒ２ｍ）を算出する（但し、ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）。その複素相関値Ｒ１ｍ（Ｒ２ｍ）は、受信信号Ｘ１（Ｘ２）とトレーニングシーケンスＴＳｍとの振幅又は位相の関係を表す。

初期ウェイト決定部１６は、ＴＳ複素相関計算部１５−１から複素相関値Ｒ１１，Ｒ１２，・・・，Ｒ１Ｍを受け取り、また、ＴＳ複素相関計算部１５−２から複素相関値Ｒ２１，Ｒ２２，・・・，Ｒ２Ｍを受け取る。また、ＴＳ読み出し部１４から所望トレーニングシーケンスＴＳ１を受け取る。

初期ウェイト決定部１６は、複素相関値Ｒ１１，Ｒ１２，・・・，Ｒ１Ｍ及びＲ２１，Ｒ２２，・・・，Ｒ２Ｍに基づき、各アンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２に対応する初期ウェイトＷ１，Ｗ２を算出する。具体的には、先ず、所望トレーニングシーケンスＴＳ１に係る複素相関値Ｒ１１，Ｒ２１のうち、絶対値（振幅に対応）の大きい方のアンテナ素子（本実施例では便宜上、ＡＮＴ１とする）を選択する。なお、ここで、所定のアンテナ素子を選択してもよい。次いで、そのアンテナ素子ＡＮＴ１の受信信号Ｘ１と干渉トレーニングシーケンスＴＳ２，・・・，ＴＳＭとから算出された複素相関値Ｒ１２，・・・，Ｒ１Ｍのうち、絶対値（振幅に対応）が最大のものを判断する。次いで、その絶対値が最大の複素相関値Ｒ１ｍに対応する干渉トレーニングシーケンスＴＳｍを選択する。次いで、その干渉トレーニングシーケンスＴＳｍに係る複素相関値Ｒ１ｍ，Ｒ２ｍを用いて、（１）式により、初期ウェイトＷ１，Ｗ２を計算する。

Ｗ１＝１、
Ｗ２＝−Ｒ１ｍ^＊／Ｒ２ｍ^＊
・・・（１）
但し、^＊は複素共役を表す。

図４は、初期ウェイトＷ１，Ｗ２の作用を説明するための説明図である。
図４（１）には、アンテナ素子ＡＮＴ１に関し、所望トレーニングシーケンスＴＳ１に係る複素相関値Ｒ１１と、干渉トレーニングシーケンスに係る絶対値最大のＲ１ｍが示されている。図４（２）には、アンテナ素子ＡＮＴ２に関し、所望トレーニングシーケンスＴＳ１に係る複素相関値Ｒ２１と、干渉トレーニングシーケンスに係る絶対値最大のＲ２ｍが示されている。図４（３）には、上記（１）式による初期ウェイトＷ１，Ｗ２で受信信号Ｘ１，Ｘ２をそれぞれ重み付けしたときの各々の複素相関値が示されている。

図４（３）に示されるように、上記（１）式による初期ウェイトＷ１，Ｗ２は、各アンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２で受信された受信信号Ｘ１，Ｘ２に含まれる干渉信号（複素相関値Ｒ１ｍ，Ｒ２ｍに対応）同士が打ち消しあい抑圧されるように作用する。

図２に戻り、ウェイト更新部１７は、初期ウェイト決定部１６から初期ウェイトＷ１，Ｗ２を受け取る。また、ＴＳ読み出し部１４から所望トレーニングシーケンスＴＳ１を受け取る。また、無線受信部１１から受信信号Ｘ１，Ｘ２を受け取る。

ウェイト更新部１７は、初期ウェイトＷ１，Ｗ２から、各アンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２に対応するウェイトｗ１，ｗ２を適応的に更新する。具体的には、初期ウェイトＷ１，Ｗ２をウェイトｗ１，ｗ２の初期値とし、所望トレーニングシーケンスＴＳ１と受信信号Ｘ１，Ｘ２を用いて適応アルゴリズムに基づいた適応演算を行い、所望信号の受信品質が改善するようにウェイトｗ１，ｗ２を更新する。その適応アルゴリズムとしては、例えば、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error；最小平均二乗誤差）に基づいた、ＬＭＳ（Least Mean Square）、ＲＬＳ（Recursive Least-Squares）等の適応アルゴリズムが利用可能である。

ここで、上述したように初期ウェイトＷ１，Ｗ２は、各アンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２で受信された受信信号Ｘ１，Ｘ２に含まれる干渉信号同士が打ち消しあい抑圧されるように作用する。これにより、ウェイトｗ１，ｗ２の更新において、その収束速度が速くなるという効果が得られる。

次に、図５を参照して、本実施形態に係る初期ウェイト算出の処理手順を説明する。図５は、本実施形態に係る初期ウェイト算出の処理フロー図である。
図５において、無線端末１が基地局３と無線通信を開始すると（Ｓ１）、該無線端末１に所望トレーニングシーケンスＴＳ１が割り当てられる（Ｓ２）。次いで、無線端末１は、干渉トレーニングシーケンスＴＳ２，・・・，ＴＳＭをＴＳ記憶部１３から読み出す（Ｓ３）。

次いで、無線端末１は、各アンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２に対応して、受信信号Ｘ１，Ｘ２と、所望トレーニングシーケンスＴＳ１及び干渉トレーニングシーケンスＴＳ２，・・・，ＴＳＭとの各複素相関値Ｒ１１，Ｒ１２，・・・，Ｒ１Ｍ、Ｒ２１，Ｒ２２，・・・，Ｒ２Ｍを計算する（Ｓ４）。次いで、無線端末１は、所望トレーニングシーケンスＴＳ１に係る複素相関値Ｒ１１，Ｒ２１のうち、絶対値の大きい方のアンテナ素子ＡＮＴ１を選択する（Ｓ５）。なお、ここで、所定のアンテナ素子を選択してもよい。

次いで、無線端末１は、その選択したアンテナ素子ＡＮＴ１に係る複素相関値Ｒ１２，・・・，Ｒ１Ｍのうち、絶対値が最大のものを判断し、その絶対値が最大の複素相関値Ｒ１ｍに対応する干渉トレーニングシーケンスＴＳｍを検索する（Ｓ６）。次いで、無線端末１は、その検索結果の干渉トレーニングシーケンスＴＳｍに係る複素相関値Ｒ１ｍ，Ｒ２ｍを用いて、上記（１）式により、初期ウェイトＷ１，Ｗ２を計算する（Ｓ７）。

次いで、無線端末１は、本処理の終了を判断し、終了でないならばステップＳ４に戻って処理を継続し、一方、終了ならば本処理を終了する（Ｓ８）。

上述したように本実施形態によれば、初期ウェイトは、干渉信号同士が打ち消しあい抑圧されるように設定されるので、アダプティブアレーアンテナにおける重み計算の収束速度を速めることができ、従って重み計算の収束時間は短縮される。さらに、受信品質の向上にも寄与することができる。

また、初期ウェイトは、受信信号とトレーニングシーケンス（既知の参照信号）との相関計算から算出されるので、所望波と干渉波の受信電力比に関わらず、干渉波による影響を抑圧することができる。

また、ＴＳ複素相関計算部については、並列処理が可能であり、また有限のトレーニングシーケンスに対してのみ複素関数値を計算するので、その処理時間は短時間化でき、さらに小さな回路規模で実現することができる。

なお、ＴＳ複素相関計算部において、受信信号から所望信号を差し引いて、干渉信号と受信信号の振幅又は位相の関係を算出するようにしてもよい。或いは、各トレーニングシーケンス（既知信号）に対する受信信号のベクトル相関値を算出するようにしてもよい。或いは、各トレーニングシーケンスの共役ベクトルと受信信号とのベクトル積を算出するようにしてもよい。或いは、受信信号を各トレーニングシーケンスでベクトル除算するようにしてもよい。

なお、初期ウェイト決定部において、複素相関値の絶対値を閾値と比較して、初期ウェイト算出に適用可能な複素相関値を選択すれば、雑音が著しく増幅されてしまうような状況を回避することが可能である。

また、複素相関値のベクトル演算の結果を閾値と比較して、初期ウェイト算出に適用可能な複素相関値を選択すれば、所望信号を打ち消してしまうような状況を回避することが可能である。

また、複数の干渉信号の合成ベクトルがウェイトを用いた重み付け合成によって打ち消されるように、受信信号の位相又は振幅を変化させる初期ウェイトをウェイト更新部に設定するようにしてもよい。

また、初期ウェイト算出方法としては、以下に示す方法を適用してもよい。
先ず、所望信号についてのアンテナ素子間の相対位相差を計算する。また、各干渉信号についてのアンテナ素子間の相対位相差を計算する。
次いで、所望信号に係る相対位相差と、各干渉信号係る相対位相差を比較する。
次いで、その比較の結果、相対位相差の差がπラジアンに近い干渉信号を選択する。
次いで、その選択した干渉信号を優先して打ち消すような初期ウェイトを算出する。このときの初期ウェイト計算方法は、上記（１）式と同様である。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した実施形態においては、２つのアンテナ素子を用いた場合を例に挙げて説明したが、３つ以上のアンテナ素子を用いる場合にも同様に適用可能である。

また、受信装置１０は基地局３に具備されてもよい。また、その場合において、基地局３が単独で無線端末に対する無線接続サービスを提供するときは、割り当て済みの干渉トレーニングシーケンスのみを初期ウェイト算出処理に使用すればよい。

本発明の一実施形態に係る無線通信システムの構成を示すブロック図である。同実施形態に係る受信装置１０の構成を示すブロック図である。図２に示すＴＳ複素相関計算部１５−１（１５−２）の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る初期ウェイトＷ１，Ｗ２の作用を説明するための説明図である。本発明の一実施形態に係る初期ウェイト算出の処理フロー図である。

符号の説明

１…無線端末、３…基地局、１０…受信装置、１１…無線受信部、１２…アダプティブアレイアンテナ（ＡＡＡ）受信部、１３…トレーニングシーケンス（ＴＳ）記憶部、１４…ＴＳ読み出し部、１５−１，１５−２…ＴＳ複素相関計算部（ベクトル演算部）、１６…初期ウェイト決定部（制御部）、１７…ウェイト更新部（適応演算部）、２１…複素相関計算部、ＡＮＴ１，ＡＮＴ２…アンテナ素子

Claims

複数のアンテナ素子で無線信号を受信する受信部と、
複数の既知信号を記憶する記憶部と、
無線通信が開始された時、前記記憶部に記憶された複数の既知信号のうち、自装置に割り当てられた第１の既知信号と前記受信信号とのベクトル演算、及び、前記記憶部に記憶された複数の既知信号のうち、前記第１の既知信号以外の第２の既知信号と前記受信信号とのベクトル演算をそれぞれ行ない、前記受信信号と第１の既知信号、及び、前記受信信号と第２の既知信号のそれぞれの振幅又は位相の関係を算出するベクトル演算部と、
前記ベクトル演算部の算出結果から、前記各アンテナ素子で受信された受信信号を重み付けするための重み値の初期値を算出する初期値算出部と、
前記無線通信において、前記初期値算出部で算出された初期値の重み値を、所望信号の受信品質が改善するように更新する適応演算部と、
を備えることを特徴とする受信装置。
前記ベクトル演算部は、前記各既知信号に対する前記受信信号のベクトル相関値を算出することを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
複数のアンテナ素子で無線信号を受信する受信部を備えた受信装置における受信方法において、
前記受信装置には、複数の既知信号が記憶されており、
無線通信が開始された時、前記記憶された複数の既知信号のうち、自装置に割り当てられた第１の既知信号と受信信号とのベクトル演算、及び、前記記憶された複数の既知信号のうち、前記第１の既知信号以外の第２の既知信号と前記受信信号とのベクトル演算をそれぞれ行ない、前記受信信号と第１の既知信号、及び、前記受信信号と第２の既知信号のそれぞれの振幅又は位相の関係を算出するベクトル演算過程と、
前記ベクトル演算過程における算出結果から、前記各アンテナ素子で受信された受信信号を重み付けするための重み値の初期値を算出する初期値算出過程と、
前記無線通信において、前記初期値算出過程で算出された初期値の重み値を、所望信号の受信品質が改善するように更新する適応演算過程と、
を含むことを特徴とする受信方法。