JP4823469B2 - 適応収束パラメータを用いたスマートアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は無線電気通信に関する。特に、本発明は、符号分割多重アクセス無線通信システムのための新規かつ効率的なスマートアンテナに関する。本発明におけるスマートアンテナが基地局で使用され、かつ所望の移動体ユーザが高層ビルの周辺を移動する場合には、本スマートアンテナは他の既存のスマートアンテナよりも効率的に動作するであろう。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
第三世代（３Ｇ）の無線通信システム、特に広帯域（Ｗ）−ＣＤＭＡ又はＣＤＭＡ２０００の標準において指定されたシステムにおいては、基地局はスマートアンテナ技術を使用するオプションを有している。スマートアンテナは、空間ダイバーシティを使用することにより、所望ユーザからの異なるＤＯＡの干渉信号を抑圧することができる。スマートアンテナ技術は近年、高品質のサービスと最高で毎秒１．９２メガビット（Ｍｂｐｓ）に及ぶ高いデータレートとでますます多くのユーザをサポートしているため、多くの注目を集めている。効率的なスマートアンテナの方式が出現したのは最近である。その１つは、本発明者らによって発明され、米国仮特許出願シリアル番号第６０／１６４，５５２号として係属中である。従って、既存の文献又は発明において考察されたことのない、より実際的な環境を含むことが妥当であろう。
【０００３】
例えば、移動体ユーザが、高層ビルで密集した街の中心部を動きまわっている場合、移動体ユーザ周辺の局地的な散乱が原因で、所望の移動体ユーザのマルチパス信号からの到来方向の角度（ＤＯＡ）が基地局受信機において急に変化することがある。この現象は、“エッジ効果”と呼ばれる。基地局におけるスマートアンテナの役割のうちの１つは、最も有力なマルチパス信号のＤＯＡを追跡することにある。スマートアンテナの重み付け係数の収束速度及びＤＯＡ追跡能力は、こうしたエッジ効果が頻繁に発生する場合は特に、スマートアンテナの設計における重大な問題点となる。スマートアンテナに関する既存の文献又は発明のほとんどはこうしたエッジ効果を考慮しておらず、伝統的には一定の収束パラメータが使われている。それにも関わらず、エッジ効果の環境下で速い収束速度を有するとともに小さい平均二乗誤差（ＭＳＥ）を有するスマートアンテナに対する必要性は存在する。既存の文献の中には、例えば正規化された最小平均二乗（ＮＬＭＳ）のように、時間について変動する適応収束パラメータについて考察したものがある。また、チョイ（Choi）の米国特許第５，９９９，８００号は、時間について変動するラグランジュ乗数を使用している。しかしながら、これらの既存の文献又は発明は、本発明とは異なる最適化基準又は異なる適応方式を採用している。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
ブラインド適応アンテナアレーであるスマートアンテナは、多重アクセス干渉を抑圧しかつ第三世代（３Ｇ）のＣＤＭＡ２０００及びＷ−ＣＤＭＡのようなＣＤＭＡを含む無線通信システムの性能を向上させる方法でありシステムである。スマートアンテナのプロセッサでは、所定のパラメータが使用される。一般に、収束速度及び定常状態のＭＳＥ、又はビット誤り率のような他の性能を調べた後に、一定の収束パラメータ値が経験的に決定されて使用される。収束パラメータ値が増大すると収束速度は増大するが、残念ながらＭＳＥも増大し、その逆も発生する。一定の収束パラメータを使用するスマートアンテナは、チャンネル環境が変わると性能が悪化するが、移動体ユーザは一般に動き回るものであるので、これは事実通りである。本発明では、スマートアンテナのプロセッサにおいて収束パラメータ値が適応的に変更されて使用される。収束パラメータを更新するための２つの例示的な方法が説明される。こうした適応収束パラメータ値を使用することにより、収束速度が増大可能になり、定常状態のＭＳＥが減少可能になる。シミュレーションの試験結果は、時間について変動するフェージングチャンネル及びエッジ効果の下で動作するＣＤＭＡシステムの場合、本発明の適応収束パラメータ方式を使用するスマートアンテナが、既存の方式に比べて改善された性能を示すということを確認するものである。それに加えて、本発明に係るスマートアンテナは、チョイ等の競合発明より小さい計算負荷を有している。
【０００５】
本発明によれば、無線通信と組み合わせて使用するための、信号を受信する方法が提供される。本発明は、マルチプルアンテナ（multiple antennas）において信号を受信するステップを含んでいる。受信された信号は、適応収束パラメータを利用して処理される。本発明の一実施形態によれば、上記アンテナはマルチプルアンテナアレー（multiple antenna array）である。本発明のもう１つの実施形態によれば、上記アンテナはマルチプルアンテナである。
【０００６】
本発明の一実施形態によれば、受信された信号は次式に従って処理される。
【０００７】
【数５】

【０００８】
代替の実施形態によれば、信号は次式に従って処理される。
【０００９】
【数６】

【００１０】
しかしながら、本発明はこれら２つの特定のアルゴリズムに限定されるものではなく、これらのアルゴリズムは例示である。
【００１１】
処理するステップは、アンテナへの到来方向の角度を推定することを含み、到来方向の角度は他の信号データから分離される。また、より優れた重み付け係数を決定するステップも含まれる。
【００１２】
１つの代替例によれば、到来方向の角度は順方向リンク送信で利用される。もう１つの代替例によれば、到来方向の角度は逆方向リンク送信で利用される。他の代替例は、複数のアンテナが基地局にあること、又は移動局にあることを含む。
【００１３】
本発明によれば、無線通信と組み合わせて使用するための、信号を受信するシステムがさらに提供される。本システムは、１つよりも多くのアンテナで受信された信号に応答し、適応収束パラメータを有する少なくとも１つの信号プロセッサを含んでいる。オプションとして、本システムは信号プロセッサに接続された送信機を含んでいる。オプションとして、本システムは信号プロセッサに接続された受信機を含んでいる。オプションとして、アンテナはマルチプルアンテナを含んでいる。オプションとして、信号プロセッサはフィルタを含み、上記フィルタは適応収束パラメータを有する。
【００１４】
オプションとして、信号プロセッサはアンテナへの到来方向の角度の測定を含み、測定された到来方向の角度は他の信号データから分離されている。それに代わって、信号プロセッサはさらに、より優れた重み付け係数の決定を含んでいる。それに代わって、測定された到来方向の角度は逆方向リンク送信から取得されている。
【００１５】
１つの実施形態によれば、本システムは基地局を含み、上記基地局に複数のアンテナがある。もう１つの実施形態によれば、本システムは移動局を含み、上記移動局に複数のアンテナがある。
【００１６】
本発明のこれらの目的、特徴及び優位点と、他の目的、特徴及び優位点とは、添付の図面及び詳細な説明から容易に明らかとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴、目的及び優位点は、図面と共に参照するときに、以下に述べられる詳細な説明からさらに明らかとなるであろう。複数の図面を通じて、同様の参照記号は対応部分を同一視している。
【００１８】
本発明は、移動局から基地局への逆方向リンクについて考察しているが、本発明は、ＣＤＭＡ無線通信システム等における順方向リンクのビーム形成処理にも等しく適用可能である。それに加えて、実施例における送信機と受信機は実例で説明することを目的としてＣＤＭＡ２０００システムと類似したものとなっているが、スマートアンテナにおける重み付けベクトルが収束パラメータを使用して適応的に発生される場合には、本発明はＷ−ＣＤＭＡシステムのような他のＣＤＭＡシステムにも適用可能である。
【００１９】
図１は、ＣＤＭＡ２０００又はＷ−ＣＤＭＡのようなＣＤＭＡシステムのための複素ＰＮ系列によって拡散される例示的な送信機である。パイロットチャンネルにおけるＩ−チャンネル入力データストリーム１０１であるｄ_ｎ ^Ｉ（ｋ）は、１であるか、又は±１の既知のパターンにてなる系列であるかのいずれかであり、また、トラフィックチャンネルにおけるＱ−チャンネル入力データストリーム１０５であるｄ_ｎ ^Ｑ（ｋ）は、±１のランダム系列である。ここで、ｋはコードシンボルのインデックスを表し、ｎはユーザのインデックスである。パイロット振幅１０３であるＡ_０は１に設定され、ウォルシュ符号１０７であるｂ_ｎ ^Ｑ（ｉ）は±１に設定されている。ここで、ｉはチップのインデックスを表わす。各コードシンボルはＧ個のチップへと拡散され、ここで、Ｇは拡散係数（ＳＦ）と呼ばれる。Ｉ及びＱデータは、１０８であるａ_ｎ（ｉ）＝ａ_ｎ ^Ｉ（ｉ）＋ｊａ_ｎ ^Ｑ（ｉ）で拡散された複素ＰＮである。ＰＮ拡散信号は次式のように表すことができる。
【００２０】
【数７】

【００２１】
ここで、ｊは（−１）の正の平方根である。パルス整形フィルタ１０９であるＨ（ｆ）より後段の等価低域通過信号は、ｓ_ｎ ^Ｉ（ｔ）＋ｊｓ_ｎ ^Ｑ（ｔ）で表わされる。ｎ番目のユーザから送信される信号１１１であるｓ_ｎ（ｔ）は、次式で表される。
【００２２】
【数８】

【００２３】
ここで、ｔは時間変数であり、Ｒｅ｛ｚ｝は複素数ｚの実数部であり、Ｐは送信電力であり、ｆ_ｃは搬送波周波数であり、ｅは指数演算子であり、Ｔ_ｃはチップ時間間隔である。
【００２４】
図２は、ＣＤＭＡ逆方向リンクのためのスマートアンテナを備えた例示的な受信機のブロック図である。本発明は、図２のスマートアンテナの性能を向上させる。アンテナアレー素子２０１の個数はＭである。アレー素子の間隔ｄはλ／２に設定されている。ここで、λは、光速を搬送波周波数で除算したものに等しい波長である。素子間の最大距離は（Ｍ−１）λ／２以下であり、搬送波周波数が１．９ＧＨｚでＭ＝５のとき、これは３１．６ｃｍでしかないため、信号は実質的に各素子にまったく同じに到来する。アレー素子間隔に起因する基準素子の出力とｍ番目の素子の出力との間の相対的な位相差は、次式で表される。
【００２５】
【数９】

【００２６】
ここで、θは所望信号のＤＯＡである。第１の素子は、基準素子となるように設定されている。アンテナアレー応答ベクトルａ（θ）は、次式で表すことができる。
【００２７】
【数１０】

【００２８】
ここで、Ｔは転置演算子である。
【００２９】
ｍ番目の素子，ｍ＝１，…，Ｍにおける受信信号は、次式で表すことができる。
【００３０】
【数１１】

【００３１】
ここで、τ_ｌ，ｎ、α_ｌ，ｎ（ｔ）、φ_ｌ，ｎ（ｔ）及びθ_ｌ，ｎ（ｔ）はそれぞれ、ユーザｎ，ｎ＝１，…，Ｎからのｌ番目のパスのマルチパス遅延、振幅、位相及びＤＯＡであり、ｎ_ｍ，ｌ（ｔ）は相加性白色ガウス雑音２０３（ＡＷＧＮ）である。各素子の出力は、周波数についてダウンコンバージョンされている。ベースバンドフィルタ出力２０５はチップ区間毎にサンプリングされ、ｘ_ｌ，ｍ（ｉ）で表される。スマートアンテナプロセッサ２０７は、ＰＮ処理前のチップベクトルｘ _ｌ（ｉ）とＰＮ処理後のチップベクトルｙ _ｌ（ｉ）を取得する。パイロット支援（pilot-aided）チャンネル推定値２１１は、Ｎ_ｐ個のチップの区間にわたる、ＰＮ逆拡散された後２０９のサンプルの平均値を求めることにより取得される。空間的及び時間的ＲＡＫＥ合成２１３は、ｍ＝１，…，Ｍのアンテナ素子及びｌ＝１，…，Ｌのフィンガにわたって実行される。図２の軟判定変数ｕ（ｋ）である２２１は、ビタビ畳み込み復号化器２１５に、軟判定２１７で送りこまれるか、送信機で畳み込み符号化器が使用されている場合はｋ番目のコードシンボル復号化に関する硬判定２１９の値で送り込まれるかのいずれかである。
【００３２】
本発明は、好ましくは、チョイにおいて使用されているような最大出力電力基準に基づくスマートアンテナを使用する。スマートアンテナの重み付けベクトルが適応アルゴリズムを用いて更新される限りにおいては、他の基準を使用することもできる。チョイ又は他の既存のアルゴリズムでは、一定の収束パラメータμが使用された。
【００３３】
最大出力電力基準に基づくコスト関数は、次式で表わすことができる。
【００３４】
【数１２】

【００３５】
ここで、ｗ ^Ｈ（ｋ）はＭ×１重み付けベクトルｗ（ｋ）のエルミート、すなわち共役転置であり、ｙ（ｋ）はＰＮ逆拡散された後で観測されたＭ×１ベクトルであり、そのｍ番目の成分ｙ_ｍ（ｋ）は、図２のＰＮ逆拡散された後のサンプルｙ_ｍ（ｉ）の、Ｇ個のチップ区間にわたる合計であり、Ｒ_ｙｙ（ｋ）はｙ（ｋ）のＭ×Ｍ自己相関行列であり、γ（ｋ）は拘束条件ｗ ^Ｈ（ｋ）ｗ（ｋ）＝１に対するラグランジュ乗数である。これ以降、フィンガのインデックスｌは簡単化のために省略する。また、ｋは更新時間のインデックスを表し、反復インデックス又はスナップショットインデックスと呼ばれる。好ましい実施形態では、更新レートはコードシンボルレートに設定されているが、更新レートはコードシンボルレートより速くてもよい。各反復又はスナップショットにおいて、重み付けベクトルはｗ（ｋ＋１）＝ｗ（ｋ）−１／２μ∇Ｊ（ｗ（ｋ））のように更新される。ここで、∇Ｊ（ｗ（ｋ））は、式（５）で与えられるコスト関数Ｊ（ｗ（ｋ））の、ｗ（ｋ）に関する勾配ベクトルであり、μは収束パラメータである。更新された重み付けベクトルは、次式で表すことができる。
【００３６】
【数１３】

【００３７】
ここで、ｚ（ｋ）＝ｙ ^Ｈ（ｋ）ｗ（ｋ）は適応フィルタ出力であり、Ｒ_ｙｙ（ｋ）はｙ（ｋ）ｙ ^Ｈ（ｋ）で近似される。（チョイの装置では、ラグランジュ乗数γ（ｋ）が、定数値γを使用する代わりに、スナップショット毎に拘束条件ｗ ^Ｈ（ｋ）ｗ（ｋ）＝１の下で更新されれば、反復が続くことに伴ってγ（ｋ）はＲ_ｙｙの最大の固有値へと収束されるということが主張されている。）
【００３８】
従来の既知の適応フィルタは、式（６）における収束パラメータμを経験的に定数と決めている。チャンネル環境が絶えず変化する場合には、収束パラメータμを決定することは困難な処理である。収束パラメータ値μは、適応アルゴリズムの収束速度に影響する。μが小さいならば収束速度は遅くなるが、平均二乗誤差の超過分は少なく、逆もまた言える。本発明は、一定の収束パラメータを常に使い続ける代わりに、収束パラメータμ（ｋ）を適応的に更新し、好ましくはすべてのスナップショットの時間毎に更新する。適応的なγ（ｋ）は収束速度を変えないため、本発明は、ラグランジュ乗数γ（ｋ）をＲ_ｙｙの最大の固有値に等しい一定値に、すなわちγ（ｋ）＝Ｍに固定する。ゆえに、本発明では式（５）のコスト関数が次式に変わる。
【００３９】
【数１４】

【００４０】
次に、勾配∇Ｊ（ｗ（ｋ））を求めてこれを更新の式：ｗ（ｋ＋１）＝ｗ（ｋ）−１／２μ（ｋ）∇Ｊ（ｗ（ｋ））に代入することによって、式（６）における新たな重み付けベクトルｗ（ｋ＋１）は、次式のように求められる。
【００４１】
【数１５】

【００４２】
また、式（８）のコスト関数の、μ（ｋ）に関する導関数を計算し、これをゼロに等しくすることによって、コスト関数を最小化する最適な適応収束パラメータμ（ｋ）は、次式のように求めることができる。
【００４３】
【数１６】

【００４４】
ここで、｜ｚ（ｋ）｜は複素アレー出力ｚ（ｋ）の大きさであり、‖ｙ（ｋ）‖は、観測されたＰＮ逆拡散された後のベクトルｙ（ｋ）の内積である。
【００４５】
発見的な適応収束パラメータμ（ｋ）は、次式のように求めることができる。
【００４６】
【数１７】

【００４７】
式（１１）における発見的な適応収束パラメータは、妥当なものである。重み付けベクトルｗ（ｋ）が式（３）のチャンネルアレー応答ベクトルａ（θ（ｋ））に一致しないときは、アレー出力ｚ（ｋ）＝ｙ ^Ｈ（ｋ）ｗ（ｋ）はほとんど電力を持たず、適応収束パラメータμ（ｋ）は大きくなり、反復ｋにおいて収束ステップは大きくなり、探索処理の速度は増大されることが可能である。重み付けベクトルｗ（ｋ）がチャンネルアレー応答ベクトルａ（θ（ｋ））に一致するときは、アレー出力ｚ（ｋ）＝ｙ ^Ｈ（ｋ）ｗ（ｋ）はＭ^２に等しい最大出力電力を有し、適応収束パラメータμ（ｋ）は小さくなって、超過した平均二乗誤差が小さくなる。
【００４８】
本発明におけるスマートアンテナの収束は、式（９）を調べることで検証されうる。更新重み付けベクトルは、次式で表すことができる。
【００４９】
【数１８】

【数１９】

【数２０】

【数２１】

【００５０】
ここで、ＱはＲ_ｙｙ＝ＱΛＱ^Ｈを満たすユニタリ行列であり、Λは、ｉ番目の対角要素が行列Ｒ_ｙｙのｉ番目に大きい固有値に等しい対角行列であり、ｗ（０）は（１，１，…，１）^Ｔに設定された重み付けベクトルの初期値である。式（１５）における括弧で括られて（ｋ＋１）で累乗された行列は対角行列であり、｜１−μ（ｋ）γ＋μ（ｋ）λ_ｍａｘ｜≦１であれば対角成分の値は反復を続けるのに伴って減少する。ゆえに、γはλ_ｍａｘ＝Ｍに設定される。
【００５１】
比較を目的として、スマートアンテナのアプリケーションに関してウィーナフィルタを再び調べる。Ｍ×１のＰＮ逆拡散された出力ベクトルは、ｙ（ｋ）＝ｂ_１ ａ（θ_１）＋ｎ（ｋ）で表される。ここで、ｂ_１とａ（θ_１）はそれぞれ、ユーザ１からの±１のデータビットとＤＯＡθ_１のアレー応答ベクトルとであり、ｎ（ｋ）は干渉及び熱雑音ベクトルである。ウィーナフィルタの場合、所望の適応フィルタ出力又は基準信号は、ｄ＝ａ ^Ｈ（θ_１）ａ（θ_１）＝Ｍに設定可能である。理想的には、相互相関ベクトルｐは次のように表すことができる。
【００５２】
【数２２】

【数２３】

【数２４】

【００５３】
すると、理想的なウィーナ解を下記のように得ることができる。
【００５４】
【数２５】

【数２６】

【数２７】

【数２８】

【数２９】

【数３０】

【数３１】

【数３２】

【００５５】
但し、式（２２）では
【数３３】

が使用された。式（２６）のアレー応答ベクトルａ（θ_１）は、パイロットチャンネル推定値の共役を乗算して、フェージング位相歪みを補償しかつ各要素においてＤＯＡ成分のみを保持することによって取得することができる。ウィーナフィルタに関するシミュレーションの試験結果は、本発明において最適な適応収束パラメータに関する式（９）及び式（１０）の対と発見的な適応収束パラメータアルゴリズムに関する式（９）及び式（１１）の対とを使用することによって得られたシミュレーションの試験結果に対して比較される。
【００５６】
比較のために、他の典型的な適応アルゴリズムもまたシミュレーションを通じて試験され、本発明と比較された。例えば、最小平均二乗（ＬＭＳ）と、正規化された最小平均二乗（ＮＬＭＳ）と、逐次最小二乗（ＲＬＳ）と、本発明者らによって提案された最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）と、チョイの装置と、完全な重み付けベクトルがアレー応答ベクトルに設定された適応アルゴリズムとが、シミュレーションにおいて試験された。すべての適応アルゴリズムについて、当該アルゴリズムがＲ_ｙｙを必要とする場合は瞬間の行列Ｒ_ｙｙ（ｋ）＝ｙ（ｋ）ｙ ^Ｈ（ｋ）が使用された。この近似は、都市環境でチャンネルがエッジ効果及びマルチパスフェージング環境に曝される場合には妥当なものである。ウィーナフィルタは、純粋なＡＷＧＮの定常的な環境の下では最適解である。しかしながら、ウィーナ解は、チャンネルが頻繁なエッジ効果に曝される場合には最良ではないことがある。それに加えて、完全な重み付けベクトルが使用されるときでさえも、雑音ベクトルの存在によって幾分かの劣化が予想される。表１には、本発明の一実施形態を含むシミュレーションの試験環境のパラメータが列挙されている。
【００５７】
【表１】

【００５８】
図３及び４はそれぞれ、本発明における最適適応アルゴリズム及び発見的な適応収束パラメータアルゴリズムのフローチャートを示し、それぞれ式｛（９），（１０）｝の対と式｛（９），（１１）｝の対を使用している。
【００５９】
図３は、スマートアンテナプロセッサの適応収束アルゴリズムを示している。
【００６０】
本システムは、ステップ３０１において、重み付けベクトルの推定値の初期値ｗ（０）を（１，…，１）に設定し、ラグランジュ乗数γをλ_ｍａｘ（これはＭに等しい）に固定する。ステップ３０３では新たな信号が受信され、ＰＮ逆拡散された後の信号が観測されて新たな信号ベクトルｙ（ｋ）として取得される。ステップ３０５及び３０７は、スマートアンテナプロセッサ（図２の２０７）に対応している。ステップ３０５では、アレー出力が複素アレー出力ｚ（ｋ）として決定され、最適な適応収束パラメータμ（ｋ）が（式（１０）に従って）決定される。ステップ３０７では、新たな重み付けベクトルｗ（ｋ＋１）が（式（９）に従って）決定される。
【００６１】
図４は、スマートアンテナプロセッサの適応収束アルゴリズムの代替例を示している。この例は、発見的な例である。
【００６２】
本システムは、ステップ４０１において、重み付けベクトルの初期値を推定し、ラグランジュ乗数を定数に固定する。ステップ４０３では新たな信号が受信され、ＰＮ逆拡散された後のｙ（ｋ）が取得される。ステップ４０５では、アレー出力が複素アレー出力ｚ（ｋ）として決定され、適応収束パラメータμ（ｋ）が（式（１１）に従って）決定される。ステップ４０７では、新たな重み付けベクトルｗ（ｋ＋１）が（式（９）に従って）決定される。
【００６３】
図５は、異なる適応アルゴリズムに関して、反復（すなわちスナップショット）インデックスｋに対するＤＯＡ推定値の１つの実施例を示している。ＬＭＳ、ＮＬＭＳ及びＲＬＳの結果もシミュレーションによって試験されたが、図５には示されていない。これらのアルゴリズムは、フェージング位相、熱雑音位相及びＤＯＡを含む入力の合計の角度を追跡するが、本発明における２つの適応収束パラメータアルゴリズム（最適ｍｕ及び発見的ｍｕ）、本発明者らによる同時係属中の米国特許出願の開示におけるＭＭＳＥ、ウィーナ、及びチョイのアルゴリズムは、ＤＯＡを別個に追跡することができる。スナップショットレートはコードシンボルレートに設定されていたため、各スナップショットは、重み付けベクトルを更新するためにＧ個のチップを用いる。所望信号のエッジ効果又はＤＯＡは、１０番目の反復において０゜から４０゜まで急激に増大する。すべてのアルゴリズムについて、重み付けベクトルの初期値は、１０番目の反復で最初のエッジ効果が発生する前に、推定されたＤＯＡが０゜に等しくなるように設定された。図５は、スマートアンテナアルゴリズムが、速い収束速度と小さい平均二乗誤差を有することを表している。
【００６４】
また図５は、４０゜に等しい目標のＤＯＡの９０％に到達するのに、本発明における２つの適応収束アルゴリズムはわずか４回の反復しかかからないのに対して、チョイの発明は２２回の反復を要することを示している。ウィーナのアルゴリズムは本発明よりも速く収束することができるが、定常状態で大きなリプルを示す。ゆえに、収束速度と定常状態における平均二乗誤差との両方の観点において、本発明の場合のような適応収束アルゴリズムはより良好に動作する。
【００６５】
図６は、本発明の２つの適応収束アルゴリズム（最適ｍｕ及び発見的ｍｕ）に関して、図５からの２つの曲線を示している。式（９）及び式（１０）における最適な適応収束パラメータアルゴリズムの角度追跡動作は、式（９）及び式（１１）における発見的な適応収束パラメータアルゴリズムのそれよりもわずかに速い。しかしながら、最適のμ（ｋ）は式（８）のコスト関数Ｊ（ｗ（ｋ））を最小化するものであり、必ずしもＭＳＥを最小化するものではないので、最適収束パラメータアルゴリズムのＭＳＥは、発見的な適応収束パラメータアルゴリズムのＭＳＥよりわずかに大きくなる可能性がある。
【００６６】
図７は、異なる適応アルゴリズムを使用することによって、２０ｍｓのフレーム区間におけるエッジ効果の発生回数に対する、スマートアンテナを備えたＣＤＭＡシステムの符号化されていないＢＥＲ性能を示している。すべてのアルゴリズムのＢＥＲ性能は互いに接近している。本発明における適応収束アルゴリズムとチョイのアルゴリズムとはほぼ同じであり、他よりもわずかに優れている。完全な重み付けベクトルを用いたアルゴリズムのＢＥＲは、理論上のＢＥＲに一致している。
【００６７】
表２は、各スマートアンテナのスナップショット毎の計算数のリストである。ここで、Ｍは、本発明の一実施形態によって構成されたアンテナアレーの素子数であり、スナップショット毎の計算数がチョイの装置より少ないということを示している。表２は、スナップショット毎の複素計算数をまとめている。ＲＬＳはスナップショット毎の最大の計算数を必要とし、ウィーナはスナップショット毎の最小の計算数を必要とする。本発明における適応収束アルゴリズムのスナップショット毎の計算数は、チョイの装置より少ない。
【００６８】
【表２】

【００６９】
最終的に、本発明における適応アルゴリズムを使用して所望のユーザ信号からのＤＯＡの推定値
【数３４】

を取得することができる。重み付けベクトルｗ（ｋ）は、スマートアンテナが所望信号からの到来方向の角度を追跡するとき式（３）におけるアレー応答ベクトルａ（θ）に接近し、重み付けベクトルはすべての反復で重み付けベクトルの第１の要素によって正規化される。ＤＯＡの推定値は次式で得られる。
【００７０】
【数３５】

【００７１】
ここで、ｓｉｎ^−１（ ）は逆正弦関数であり、∠ｚはｚの角度であり、ｗ_２（ｋ）は反復ｋにおける重み付けベクトルｗ（ｋ）の第２の要素であり、πは１８０゜の弧度（ラジアン）である。本発明によって取得されるＤＯＡ推定値
【数３６】

は、他のビーム形成方法、すなわち順方向リンクビーム形成に使用可能である。順方向リンクは基地局から移動局までのチャンネルを含意し、逆方向リンクは移動局から基地局へのチャンネルである。逆方向リンクを介して本発明により取得された重み付けベクトルｗ（ｋ）は、順方向及び逆方向リンク間の搬送波周波数の差に起因する位相の回転を補償した後に、基地局の送信機から所望の移動体受信機における受信機までの順方向リンクのビーム形成に使用されることが可能である。ゆえに、本発明を用いることで、順方向リンクの性能も向上させることができる。
【００７２】
表３は、過渡期間を含む、エッジ効果の下での各スマートアンテナの平均二乗誤差と、本発明の一実施形態による定常状態の平均二乗誤差とのリストであり、競合発明に比肩しうる平均二乗誤差を示している。表３は、いくつかの異なるＤＯＡ追跡アルゴリズムのＤＯＡ推定値
【数３７】

と真のＤＯＡθとの間のＭＳＥを、２つのケースに関して、すなわち（１）過渡期間を含むシミュレーションの試験区間と、（２）定常状態部分のみ、に関して列挙している。定常状態のＭＳＥは、追跡角度が目標角度の９０％に最初に到達する反復点から次のエッジ効果までのエッジ効果の区間毎に、誤差の二乗を平均することによって取得された。シミュレーションの試験では、２０ｍｓ毎に１０回、１００回及び１０００回のエッジ効果がランダムに発生された。本発明及びチョイの装置が定常状態で他より小さいＭＳＥを有し、ウィーナが定常状態で最大のＭＳＥを有している。
【００７３】
【表３】

【００７４】
【発明の効果】
結論として、エッジ効果環境の下で、特にＣＤＭＡ逆方向リンクの場合に、本発明の最適な適応収束パラメータアルゴリズム又は発見的な適応収束パラメータアルゴリズムのいずれかを有するスマートアンテナは、従来のシステムよりも効果的になることが可能である。本発明における適応収束パラメータアルゴリズムは、従来の装置よりも格段に優れたＤＯＡ追跡能力とわずかに優れたビット誤り率の性能とを示す。さらに、発見的な適応収束パラメータアルゴリズムでは、スナップショット毎の計算負荷数が従来の装置より少ない。
【００７５】
本発明を実行するための好ましい態様及び最善の態様について説明してきたが、本発明が関連した技術に通じた者は、本発明を実施するための様々な代替の設計及び実施形態が可能であり、かつ添付の請求項の範囲内に包含されることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に従って構成されたＣＤＭＡシステムのための複素擬似雑音（ＰＮ）拡散送信機の例示的なモデルである。
【図２】 本発明の一実施形態に従って構成された基地局受信機の全体のブロック図である。
【図３】 本発明の一実施形態に従って構成された最適収束パラメータアルゴリズムを用いるスマートアンテナプロセッサのフローチャートである。
【図４】 本発明の一実施形態に従って構成された発見的収束パラメータアルゴリズムを用いるスマートアンテナプロセッサのフローチャートである。
【図５】 １つの実施例に係る反復に対するいくつかのＤＯＡ推定結果のシミュレーションを示し、本発明の一実施形態に従って構成されたスマートアンテナがより速い収束速度とより小さい平均二乗誤差とを有するということを示す図である。
【図６】 本発明の２つの適応収束アルゴリズムに関して、図５から取り出した２つの曲線を示す図である。
【図７】 ２０ｍｓのフレームにおけるエッジ効果の発生回数に対するいくつかのシミュレーションのビット誤り率（ＢＥＲ）結果を示し、本発明の一実施形態に従って構成されたスマートアンテナがエッジ効果の下でわずかに優れた性能を示すということを表す図である。
【符号の説明】
１０１…Ｉ−チャンネル入力データストリーム、
１０３…パイロット振幅、
１０５…Ｑ−チャンネル入力データストリーム、
１０７…ウォルシュ符号、
１０９…パルス整形フィルタ、
１１１…送信される信号、
２０１…アンテナアレー素子、
２０３…相加性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）、
２０５…ベースバンドフィルタ出力、
２０７…スマートアンテナプロセッサ、
２０９…ＰＮ逆拡散、
２１１…パイロット支援チャンネル推定、
２１３…空間的及び時間的ＲＡＫＥ合成、
２１５…ビタビ畳み込み復号化器、
２１７…軟判定、
２１９…硬判定、
２２１…軟判定変数。

Claims (24)

1. 無線通信と組み合わせて使用するための、信号を受信する方法であって、
   （Ａ）複数のアンテナで信号を受信するステップと、
   （Ｂ）上記受信された信号を適応収束パラメータを利用して処理するステップとを含み、
   上記受信された信号は次式
   

   

   に従って処理され、上記式において、μ（ｋ）は収束パラメータであり、γはラグランジュ乗数であり、ｗ（ｋ）は重み付けベクトルであり、ｗ ^Ｈ（ｋ）はｗ（ｋ）のエルミートであり、ｙ（ｋ）はＰＮ逆拡散された後のベクトルであり、‖ｙ（ｋ）‖はｙ（ｋ）の内積であり、Ｒ_ｙｙ（ｋ）はｙ（ｋ）の自己相関行列であり、ｚ（ｋ）は複素アレー出力であり、｜ｚ（ｋ）｜はｚ（ｋ）の大きさである方法。
2. 無線通信と組み合わせて使用するための、信号を受信する方法であって、
   （Ａ）複数のアンテナで信号を受信するステップと、
   （Ｂ）上記受信された信号を適応収束パラメータを利用して処理するステップとを含み、
   上記信号は次式
   

   

   に従って処理され、上記式において、μ（ｋ）は収束パラメータであり、γはラグランジュ乗数であり、ｗ（ｋ）は重み付けベクトルであり、Ｒ_ｙｙ（ｋ）はＰＮ逆拡散された後のベクトルｙ（ｋ）の自己相関行列であり、ｚ（ｋ）は複素アレー出力であり、｜ｚ（ｋ）｜はｚ（ｋ）の大きさである方法。
3. 上記複数のアンテナはマルチプルアンテナアレーである請求項１又は２記載の方法。
4. 上記複数のアンテナはマルチプルアンテナである請求項１又は２記載の方法。
5. 上記処理するステップはアンテナへの到来方向の角度を推定することを含む請求項１又は２記載の方法。
6. 上記適応収束パラメータを計算するためのコスト関数において使用される重み付け係数を決定するステップをさらに含む請求項１又は２記載の方法。
7. 順方向リンク送信において上記到来方向の角度を利用するステップをさらに含む請求項５記載の方法。
8. 逆方向リンク送信において上記到来方向の角度を利用するステップをさらに含む請求項５記載の方法。
9. 上記アンテナは基地局にある請求項１又は２記載の方法。
10. 上記アンテナは移動局にある請求項１又は２記載の方法。
11. 無線通信と組み合わせて使用するための、信号を受信するシステムであって、
    （Ａ） 複数のアンテナで受信された信号に応答し、適応収束パラメータを有する少なくとも１つの信号プロセッサを備え、
    上記少なくとも１つの信号プロセッサにおいて、上記適応収束パラメータは実質的に次式
    

    

    であり、上記式において、μ（ｋ）は収束パラメータであり、γはラグランジュ乗数であり、ｗ（ｋ）は重み付けベクトルであり、ｗ ^Ｈ（ｋ）はｗ（ｋ）のエルミートであり、ｙ（ｋ）はＰＮ逆拡散された後のベクトルであり、‖ｙ（ｋ）‖はｙ（ｋ）の内積であり、Ｒ_ｙｙ（ｋ）はｙ（ｋ）の自己相関行列であり、ｚ（ｋ）は複素アレー出力であり、｜ｚ（ｋ）｜はｚ（ｋ）の大きさであるシステム。
12. 無線通信と組み合わせて使用するための、信号を受信するシステムであって、
    （Ａ） 複数のアンテナで受信された信号に応答し、適応収束パラメータを有する少なくとも１つの信号プロセッサを備え、
    上記少なくとも１つの信号プロセッサにおいて、上記適応収束パラメータは実質的に次式
    

    

    であり、上記式において、μ（ｋ）は収束パラメータであり、γはラグランジュ乗数であり、ｗ（ｋ）は重み付けベクトルであり、Ｒ_ｙｙ（ｋ）はＰＮ逆拡散された後のベクトルｙ（ｋ）の自己相関行列であり、ｚ（ｋ）は複素アレー出力であり、｜ｚ（ｋ）｜はｚ（ｋ）の大きさであるシステム。
13. 上記複数のアンテナをさらに備えた請求項１１又は１２記載のシステム。
14. 上記複数のアンテナはマルチプルアンテナアレーを含む請求項１３記載のシステム。
15. 上記少なくとも１つの信号プロセッサに接続された送信機をさらに備えた請求項１１又は１２記載のシステム。
16. 上記少なくとも１つの信号プロセッサに接続された受信機をさらに備えた請求項１１又は１２記載のシステム。
17. 上記複数のアンテナはマルチプルアンテナを含む請求項１３記載のシステム。
18. 上記少なくとも１つの信号プロセッサはフィルタを含み、上記フィルタは適応収束パラメータを有する請求項１１又は１２記載のシステム。
19. 上記少なくとも１つの信号プロセッサは複数のアンテナへの到来方向の角度の測定を含む請求項１１又は１２記載のシステム。
20. 上記少なくとも１つの信号プロセッサは、上記適応収束パラメータを計算するためのコスト関数において使用される重み付け係数の決定をさらに含む請求項１１又は１２記載のシステム。
21. 上記測定された到来方向の角度は順方向リンクの送信から取得されている請求項１９記載のシステム。
22. 上記測定された到来方向の角度は逆方向リンクの送信から取得されている請求項１１記載のシステム。
23. 基地局をさらに備え、上記複数のアンテナは上記基地局にある請求項１３記載のシステム。
24. 移動局をさらに備え、上記複数のアンテナは上記移動局にある請求項１３記載のシステム。

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