JP4778982B2 - 受信装置及び干渉抑圧方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線システムにおいて干渉を除去する受信装置及び干渉抑圧方法に関する。

無線の周波数枯渇の問題は今後さらに深刻になるため、周波数利用効率を改善する検討が多種多様に行われている。ひとつのアプローチとして、コグニティブ無線（例えば、非特許文献１参照）のように、既存システムが使用していない時間・場所を検知（Cognitive）し、別のシステムが既存システムの邪魔をしないように控えめに送受信を行なうことで、一つの周波数を異なるシステムで共用する方法が検討されている。

しかしながら、コグニティブ無線においては、非常に高い既存システム検出精度が要求され、実際には既存システムと別システム間の干渉の問題は避けられない。そこで、このような干渉問題を解決する方法の一つにアレーアンテナのアンテナ指向性制御による干渉抑圧方法がある（例えば、非特許文献２、３参照）。アレーアンテナはその指向性を制御して、干渉方向にヌルを向けたり、希望波方向に指向性を振り向けたりすることで干渉を抑圧したりする方法であり、これには、Power Inversion（パワーインバージョン）を使ったものがある（例えば、非特許文献４参照）。パワーインバージョンアダプティブアレーでは、干渉信号のために既知信号が受信できない場合にも、所望波と干渉波の電力差を利用することで所望波を受信可能であり、従来の既知信号（プリアンブル信号）を不要としながらも、他システムからの干渉を除去することが可能となる。
S. Haykin，"Cognitive Radio: Brain-Empowered Wireless Communications"，IEEE JSAC，Vol.23，NO.2，pp.201-220，２００５年２月 菊間 信良，「アレーアンテナによる適応信号処理」，科学技術出版，１９９８年 Winters, J.H.，"Smart antennas for wireless systems"，IEEE Wireless Communications，Vol.5，Isuue.1 pp.23-27，１９９８年２月 菊間 信良，「アレーアンテナによる適応信号処理」６章，科学技術出版，１９９８年

上述したパワーインバージョンアダプティブアレーでは、受信アンテナ数が、（希望信号＋干渉信号数）よりも大きいと、干渉信号とともに希望信号まで抑圧していまい、希望信号を正しく受信できない。また、受信アンテナ数が（希望信号＋干渉信号数）よりも小さいと、干渉信号を除去できない。
一方、受信装置が設置される環境や、周囲に他の移動通信装置が存在する場合は、その時々で干渉信号数が異なるため、多くの受信アンテナを備えておくほうが干渉除去しやすいといえる。しかし、上記のとおり、受信アンテナ数が多すぎると、希望信号を受信できなくなってしまう問題がある。

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、アレーアンテナを用いた無線システムにおいて、アレーの自由度が高い場合でも干渉を除去することができるとともに、簡易な装置や方法により受信品質を向上させることのできる受信装置及び干渉抑圧方法を提供することを目的とする。

本発明は、Ｋ本（Ｋ≧ｎ＋２）の受信アンテナからなるアレーアンテナを具備し、希望信号とｎ個（ｎ≧１）の干渉信号を同時に受信した場合に前記干渉信号を除去して前記希望信号を抽出する受信装置であって、受信信号電力を最小とするウエイトを算出するウエイト生成手段を含み、前記ウエイト生成手段により算出されたウエイトを用いて生成したアレーアンテナ指向性パターンにおける（Ｋ−１）個のヌル方向に基づいて、（Ｋ−１）個の電波到来方向を推定する全電波到来方向推定手段と、前記全電波到来方向推定手段により推定された電波到来方向に基づいて、前記（Ｋ−１）個の電波到来方向のうちいずれか１つをヌルにしないアレーアンテナ指向性パターン、ないし、前記（Ｋ−１）個の電波到来方向のうちいずれか１つに対してビームを向けるアレーアンテナ指向性パターン、を（Ｋ−１）パターン生成することにより前記アレーアンテナ指向性パターンを再生成する指向性パターン生成手段と、前記指向性パターン生成手段により再生成したアレーアンテナ指向性パターンについて受信信号を生成し、前記受信信号の品質を推定する受信信号品質推定手段と、再生成された前記アレーアンテナ指向性パターンの受信信号を前記受信信号品質推定手段が推定した品質に応じて合成し、出力する受信信号合成手段とを具備することを特徴とする受信装置である。

また、本発明は、上述した受信装置において、前記ウエイト生成手段は、パワーインバージョンアレーアンテナ方法を適用してウエイトを算出することを特徴とする。

また、本発明は、上述した受信装置において、前記受信信号の品質は、受信信号の信号対干渉雑音比であり、再生成された前記アレーアンテナ指向性パターンの受信信号の合成には最大比合成を用いることを特徴とする。

また、本発明は、上述した受信装置において、前記受信装置が１本以上の受信アンテナを具備する複数の装置から構成され、前記複数の装置のＫ本の受信アンテナを前記アレーアンテナとして動作させることを特徴とする。

本発明は、Ｋ本（Ｋ≧ｎ＋２）の受信アンテナからなるアレーアンテナを具備する受信装置に用いられる、希望信号とｎ個（ｎ≧１）の干渉信号を同時に受信した場合に前記干渉信号を除去して前記希望信号を抽出する干渉抑圧方法であって、前記受信装置において、ウエイト生成手段が、受信信号電力を最小とするウエイトを算出するウエイト生成過程と、前記ウエイト生成手段を含む全電波到来方向推定手段が、前記ウエイト生成過程において算出されたウエイトを用いてアレーアンテナ指向性パターンを生成し、当該アレーアンテナ指向性パターンにおける（Ｋ−１）個のヌル方向に基づいて、（Ｋ−１）個の電波到来方向を推定する全電波到来方向推定過程と、指向性パターン生成手段が、前記全電波到来方向推定過程において推定された電波到来方向に基づいて、前記（Ｋ−１）個の電波到来方向のうちいずれか１つをヌルにしないアレーアンテナ指向性パターン、ないし、前記（Ｋ−１）個の電波到来方向のうちいずれか１つに対してビームを向けるアレーアンテナ指向性パターン、を（Ｋ−１）パターン生成することにより前記アレーアンテナ指向性パターンを再生成する指向性パターン生成過程と、受信信号品質推定手段が、前記指向性パターン生成過程において再生成したアレーアンテナ指向性パターンについて受信信号を生成し、前記受信信号の品質を推定する受信信号品質推定過程と、受信信号合成手段が、再生成された前記アレーアンテナ指向性パターンの受信信号を前記受信信号品質推定過程において推定した品質に応じて合成し、出力する受信信号合成過程とを有することを特徴とする干渉抑圧方法である。

また、本発明は、上述した干渉抑圧方法において、前記ウエイト生成過程においては、パワーインバージョンアレーアンテナ方法を適用してウエイトを算出することを特徴とする。

また、本発明は、上述した干渉抑圧方法において、前記受信信号の品質は、受信信号の信号対干渉雑音比であり、再生成された前記アレーアンテナ指向性パターンの受信信号の合成には最大比合成を用いることを特徴とする。

また、本発明は、上述した干渉抑圧方法において、前記受信装置が１本以上の受信アンテナを具備する複数の装置から構成され、前記複数の装置のＫ本の受信アンテナを前記アレーアンテナとして動作させることを特徴とする。

（希望信号＋干渉信号数）よりもアンテナ本数（自由度）が大きい場合、パワーインバージョンアレーを適用して生成されるアレーアンテナ指向性パターン（希望信号数＋干渉信号数と同じ数のパターンが生成される）に含まれるヌル方向には、１つだけ希望信号の電波到来方向が含まれている。そこで、本発明によれば、（希望信号＋干渉信号数）よりもアンテナ本数が大きい場合でも、パワーインバージョンアレーを適用して生成されるアレーアンテナ指向性パターン（希望信号数＋干渉信号数と同じ数のパターンが生成される）の全ての電波到来方向に対して、１方向だけにヌルを形成しない指向性パターンを、あるいは、一方向にだけビームを向ける指向性パターンを再生成し、再生成したそれぞれの指向性パターンを用いて受信を行ない、得られた各受信信号に対して所望信号の品質を参照した上で重み付け合成を行なう。これにより、アンテナの自由度が大きい受信装置においても干渉を除去して希望信号を受信することが可能となるだけではなく、アレーアンテナの干渉抑圧効果ならびに受信信号の品質を従来以上に高めることが可能となる。
例えば、複数の装置トータルでアレーアンテナを構成する場合、装置毎に１本のアンテナを具備する場合は装置数の増減でアレー数を変更することができるため、その環境に合った、干渉信号を除去可能となるように装置数を決めればよい。しかし、例えば装置毎に２本ずつのアンテナを有する装置がある場合で、アレーアンテナ数として３本が最適という場合に、従来方法では、干渉信号の除去が困難であるが、本発明では干渉信号除去を可能とする。つまり、１装置あるいは複数装置によるアレーであっても、受信アンテナ数を決める際には環境に応じて個々に調整する必要がなく、簡易に決めることが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態による受信局（受信装置）の構成を示す図である。
同図において、送信局から送信される希望信号と、ｎ個の干渉信号とを受信する受信局１は、Ｋ本（Ｋはｎ＋２本以上）の受信アンテナ（自由度）であるアンテナ２−１〜２−Ｋを備えている。ウエイト生成回路３は、Ｋ本のアンテナ２−１〜２−Ｋによる受信信号から、既存の技術、例えば、パワーインバージョンアレーアンテナ技術を用いて、受信信号電力を最小とする条件により制御を行ない、ウエイトを生成する。全電波到来方向推定回路４は、ウエイト生成回路３により生成されたウエイトを用いてアレーアンテナ指向性パターンを生成するとともに、生成されたアレーアンテナ指向性パターンに含まれる（Ｋ−１）個のヌル方向に基づいて、その（Ｋ−１）個の電波到来方向を推定する。指向性パターン生成回路５は、全電波到来方向推定回路４により推定された電波到来方向に基づいて、推定された電波到来方向のうちの一方向だけにヌルを形成しない、あるいは、一方向にだけビームを振り向けるアレーアンテナ指向性パターンを再生成し、再生成した各指向性パターンのウエイトを保持する。受信信号品質推定回路６は、指向性パターン生成回路５により再生成されたアレーアンテナ指向性パターンのそれぞれについてのウエイトを受信回路７に設定し、これにより出力される、各アレーアンテナ指向性パターンの受信信号の品質を推定する。受信回路７は、各アレーアンテナ指向性パターンのウエイトを用いた受信信号を出力する。受信信号合成回路８は、受信信号品質推定回路６により推定された各アレーアンテナ指向性パターンの受信信号の品質に応じて、受信回路７が出力した各アレーアンテナ指向性パターンの受信信号を合成し、出力する。

次に、図２〜図４を用いて、受信局１の動作を説明する。
受信局１は、送信局から送信される希望信号と、ｎ個の干渉信号とをアンテナ２−１〜２−Ｋにより受信し、ウエイト生成回路３は、アンテナ２−１〜２−Ｋによる受信信号から、受信信号電力を最小とする条件により制御を行ない、ウエイトを生成する。全電波到来方向推定回路４は、このウエイト生成回路３により生成されたウエイトを用いて、希望信号数＋干渉信号数ｎと同じ数のアレーアンテナ指向性パターンを生成する。このアレーアンテナ指向性パターンには、図２に示すように、（Ｋ−１）個のヌル方向が含まれるが、このヌル方向の中に希望信号の電波到来方向が１つ含まれる。ここでは、ヌル方向をＮ_１〜Ｎ_{（Ｋ−１）}とし、Ｋ＝４である場合を示している。全電波到来方向推定回路４は、生成されたアレーアンテナ指向性パターンにおけるヌル方向Ｎ_１〜Ｎ_{（Ｋ−１）}の電波到来方向を推定する。

指向性パターン生成回路５は、全電波到来方向推定回路４により推定されたヌル方向Ｎ_１〜Ｎ_{（Ｋ−１）}の電波到来方向に基づいて、アレーアンテナ指向性パターンを再生成する。具体的には、推定された（Ｋ−１）個の電波到来方向のうちの一方向だけ、すなわち、ヌル方向Ｎ_１、ヌル方向Ｎ_２、…、ヌル方向Ｎ_{（Ｋ−１）}のいずれかだけにヌルを形成しない（Ｋ−１）個の指向性パターンを全て生成し、それぞれの指向性パターンのウエイトを保持する。図２のアレーアンテナ指向性パターンで示されるヌル方向Ｎ_１〜Ｎ_{（Ｋ−１）}のうち、図３（ａ）は、ヌル方向Ｎ_１にだけヌルを形成しないアレーアンテナ指向性パターンを、図３（ｂ）は、ヌル方向Ｎ_２にだけヌルを形成しないアレーアンテナ指向性パターンを、図３（ｃ）は、ヌル方向Ｎ_{（Ｋ−１）}にだけヌルを形成しないアレーアンテナ指向性パターンを示す。

受信信号品質推定回路６は、指向性パターン生成回路５により生成された（Ｋ−１）個のアレーアンテナ指向性パターンのウエイトを受信回路７に設定する。具体的には、アレーアンテナ指向性パターンのウエイトは、各アンテナ２−１〜２−Ｋに対応したウエイト値の集合で表される。受信回路７は、各アンテナ２−１〜２−Ｋに対応した位相器を備えており、受信信号品質推定回路６から指示されたウエイトで示される各アンテナ２−１〜２−Ｋに対応したウエイト値をそれぞれの位相器に設定して受信信号の位相を調整し、これら位相が調整された受信信号を全て加算して、出力信号とする。受信信号品質推定回路６は、受信回路７から出力される、各アレーアンテナ指向性パターンの受信信号それぞれについて受信品質を推定する。

受信信号合成回路８は、受信信号品質推定回路６により推定された各アレーアンテナ指向性パターンの受信信号の受信品質に応じ、よりよい受信品質を得たときのアレーアンテナ指向性パターンの受信信号により大きな重みをつけるようにして、受信回路７により出力される各アレーアンテナ指向性パターンの受信信号を合成し、出力する。
この受信信号合成回路８における受信信号の合成にあたっては、ｋ（２≦ｋ≦（Ｋ−１））個のアレーアンテナ指向性パターンの受信信号を合成する。つまり、再生成した（Ｋ−１）個のアレーアンテナ指向性パターンの受信信号全てを合成することでもよく、受信信号品質推定回路６が受信品質のよいものから２〜（Ｋ−２）個のアレーアンテナ指向性パターンを選択して、受信回路７にその選択したアレーアンテナ指向性パターンのウエイトを設定し、これにより出力される受信信号を合成することでもよい。つまり、受信回路７は、ｋ（２≦ｋ≦（Ｋ−１））個のアレーアンテナ指向性パターンのウエイトそれぞれを用いて生成した、ｋ個の受信信号を出力するものである。

なお、受信信号の品質として、ＳＩＮＲ（Signal-to-Interference. and Noise power Ratio：信号対干渉雑音比）等、受信品質を表す任意のものを使用することができる。また、受信信号の品質としてＳＩＮＲを用いた場合、アレーアンテナ指向性パターンの受信信号の合成方法として、最大比合成（ＭＲＣ：maximum ratio combining）を用いることができる。

図３においては、指向性パターン生成回路５が、アレーアンテナ指向性パターンを再生成する場合に、全電波到来方向推定回路４により推定された（Ｋ−１）個の電波到来方向のうちの一方向だけにヌルを形成しない（Ｋ−１）個のアレーアンテナ指向性パターンを生成しているが、図４に示すように、推定した到来方向の一方向にだけ、すなわち、ヌル方向Ｎ_１、ヌル方向Ｎ_２、…、ヌル方向Ｎ_{（Ｋ−１）}のいずれかにだけビームを振り向ける（Ｋ−１）個のアレーアンテナ指向性パターンを生成するようにしてもよい。そして、上記と同様に、受信信号品質推定回路６は、生成されたアレーアンテナ指向性パターンそれぞれのウエイトを受信回路７に設定して、受信回路７から出力される各アレーアンテナ指向性パターンの受信信号の品質を推定し、受信信号合成回路８は、推定された各アレーアンテナ指向性パターンの受信信号の品質に応じて、よりよい品質を得たときのアレーアンテナ指向性パターンの受信信号により重みをつけるように、受信回路７により出力されるｋ（２≦ｋ≦（Ｋ−１））個のアレーアンテナ指向性パターンの受信信号を合成し、出力する。

なお、１つの受信局の複数アンテナによりアレーアンテナを構成するかわりに、図５に示すように、複数受信装置にまたがった複数のアンテナ２−１〜２−Ｋのトータルでアレーを構成し、１つの受信装置にのみ、全電波到来方向推定回路４、指向性パターン生成回路５、受信信号品質推定回路６、受信回路７、及び、受信信号合成回路８を備えるようにしてもよい。なお同図においては、各受信装置が２本のアンテナを備えているが、１本または３本以上のアンテナを備えるものであってもよい。
また、受信局は送信局または送受信局であってもよい。

上記実施形態によれば、（希望信号＋干渉信号数）よりもアンテナ本数（自由度）が大きい場合でも、パワーインバージョンアレーを適用して生成されるアレーアンテナ指向性パターン（希望信号数＋干渉信号数と同じ数のパターンが生成される）の全ての電波到来方向に対して、１方向だけにヌルを形成しない指向性パターンを、あるいは、一方向にだけビームを向ける指向性パターンを再生成し、再生成したそれぞれの指向性パターンを用いて受信を行ない、得られた各受信信号に対して所望信号の品質を参照した上で重み付け合成を行なう。これにより、アンテナの自由度が大きい受信装置においても干渉を除去して希望信号を受信することが可能となるだけではなく、アレーアンテナの干渉抑圧効果ならびに受信信号の品質を従来以上に高めることが可能となる。再生成した全ての指向性パターンそれぞれについて受信信号の品質を評価し、最良の品質となった指向性パターン１つのみを用いて通信を行なうことでも、干渉を除去し、希望信号を受信することは可能であるが、上記実施形態によれば、指向性パターン生成回路５において生成した残りの指向性パターンも活用して、受信信号の品質を高めることができる。

また、例えば、複数の装置トータルでアレーアンテナを構成する場合、装置毎に１本のアンテナを具備する場合は装置数の増減でアレー数を変更することができるため、その環境に合った、干渉信号を除去可能となるように装置数を決めればよい。しかし、例えば装置毎に２本ずつのアンテナを有する装置がある場合で、アレーアンテナ数として３本が最適という場合に、従来方法では、干渉信号の除去が困難であるが、本実施形態では干渉信号除去を可能とする。つまり、１装置あるいは複数装置によるアレーであっても、受信アンテナ数を決める際には環境に応じて個々に調整する必要がなく、簡易に決めることが可能となる。

複数システムが同一周波数を共用する無線通信に適用可能である。

本発明の一実施形態による受信局の構成を示す図である。 全電波到来方向推定回路が生成したアレーアンテナ指向性パターンを示す図である。 指向性パターン生成回路が再生成したアレーアンテナ指向性パターンを示す図である。 指向性パターン生成回路が再生成する他のアレーアンテナ指向性パターンを示す図である。 本発明の一実施形態による受信局の他の構成を示す図である。

符号の説明

１…受信局（受信装置）
２…アンテナ
３…ウエイト生成回路（ウエイト生成手段）
４…全電波到来方向推定回路（全電波到来方向推定手段）
５…指向性パターン生成回路（指向性パターン生成手段）
６…受信信号品質推定回路（受信信号品質推定手段）
７…受信回路
８…受信信号合成回路（受信信号合成手段）

Claims (8)

1. Ｋ本（Ｋ≧ｎ＋２）の受信アンテナからなるアレーアンテナを具備し、希望信号とｎ個（ｎ≧１）の干渉信号を同時に受信した場合に前記干渉信号を除去して前記希望信号を抽出する受信装置であって、
   受信信号電力を最小とするウエイトを算出するウエイト生成手段を含み、前記ウエイト生成手段により算出されたウエイトを用いて生成したアレーアンテナ指向性パターンにおける（Ｋ−１）個のヌル方向に基づいて、（Ｋ−１）個の電波到来方向を推定する全電波到来方向推定手段と、
   前記全電波到来方向推定手段により推定された電波到来方向に基づいて、前記（Ｋ−１）個の電波到来方向のうちいずれか１つをヌルにしないアレーアンテナ指向性パターン、ないし、前記（Ｋ−１）個の電波到来方向のうちいずれか１つに対してビームを向けるアレーアンテナ指向性パターン、を（Ｋ−１）パターン生成することにより前記アレーアンテナ指向性パターンを再生成する指向性パターン生成手段と、
   前記指向性パターン生成手段により再生成したアレーアンテナ指向性パターンについて受信信号を生成し、前記受信信号の品質を推定する受信信号品質推定手段と、
   再生成された前記アレーアンテナ指向性パターンの受信信号を前記受信信号品質推定手段が推定した品質に応じて合成し、出力する受信信号合成手段と
   を具備することを特徴とする受信装置。
2. 前記ウエイト生成手段は、パワーインバージョンアレーアンテナ方法を適用してウエイト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。
3. 前記受信信号の品質は、受信信号の信号対干渉雑音比であり、再生成された前記アレーアンテナ指向性パターンの受信信号の合成には最大比合成を用いることを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
4. 前記受信装置が１本以上の受信アンテナを具備する複数の装置から構成され、前記複数の装置のＫ本の受信アンテナを前記アレーアンテナとして動作させることを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
5. Ｋ本（Ｋ≧ｎ＋２）の受信アンテナからなるアレーアンテナを具備する受信装置に用いられる、希望信号とｎ個（ｎ≧１）の干渉信号を同時に受信した場合に前記干渉信号を除去して前記希望信号を抽出する干渉抑圧方法であって、
   前記受信装置において、
   ウエイト生成手段が、受信信号電力を最小とするウエイトを算出するウエイト生成過程と、
   前記ウエイト生成手段を含む全電波到来方向推定手段が、前記ウエイト生成過程において算出されたウエイトを用いてアレーアンテナ指向性パターンを生成し、当該アレーアンテナ指向性パターンにおける（Ｋ−１）個のヌル方向に基づいて、（Ｋ−１）個の電波到来方向を推定する全電波到来方向推定過程と、
   指向性パターン生成手段が、前記全電波到来方向推定過程において推定された電波到来方向に基づいて、前記（Ｋ−１）個の電波到来方向のうちいずれか１つをヌルにしないアレーアンテナ指向性パターン、ないし、前記（Ｋ−１）個の電波到来方向のうちいずれか１つに対してビームを向けるアレーアンテナ指向性パターン、を（Ｋ−１）パターン生成することにより前記アレーアンテナ指向性パターンを再生成する指向性パターン生成過程と、
   受信信号品質推定手段が、前記指向性パターン生成過程において再生成したアレーアンテナ指向性パターンについて受信信号を生成し、前記受信信号の品質を推定する受信信号品質推定過程と、
   受信信号合成手段が、再生成された前記アレーアンテナ指向性パターンの受信信号を前記受信信号品質推定過程において推定した品質に応じて合成し、出力する受信信号合成過程と
   を有することを特徴とする干渉抑圧方法。
6. 前記ウエイト生成過程においては、パワーインバージョンアレーアンテナ方法を適用してウエイトを算出することを特徴とする請求項５に記載の干渉抑圧方法。
7. 前記受信信号の品質は、受信信号の信号対干渉雑音比であり、再生成された前記アレーアンテナ指向性パターンの受信信号の合成には最大比合成を用いることを特徴とする請求項５に記載の干渉抑圧方法。
8. 前記受信装置が１本以上の受信アンテナを具備する複数の装置から構成され、前記複数の装置のＫ本の受信アンテナを前記アレーアンテナとして動作させることを特徴とする請求項５に記載の干渉抑圧方法。

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