JP5159839B2 - 信号到来角度の推定装置、推定方法、および通信システム - Google Patents

Description

本発明は、推定装置及び推定方法並びにそれらの通信システムに関し、特に信号到来角度の推定装置、推定方法、および通信システムに関する。

多入力多出力（Ｍｕｌｔｉ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ Ｏｕｔｐｕｔ、ＭＩＭＯ）技術は、システム効率を改善し、データ伝送スループット（Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）を向上させる利点を有するので、近年重視されてきている。ＭＩＭＯ技術から派生したビーム形成（Ｂｅａｍ−Ｆｏｒｍｉｎｇ）技術も、使用が一般的になってきた。ビーム形成技術は主に、信号到来角度（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ、ＤＯＡ）のデータを利用して、アンテナアレイパターン（Ｐａｔｔｅｒｎ）の信号受信時における方位を適応的に調整することで、受信される信号の強度を増加させ、又は多重経路（Ｍｕｌｔｉ−ｐａｔｈ）によりチャネル効果を減衰させ、アンテナ間の干渉を抑制する。

ビーム形成技術は主に、切換式ビーム形成技術と適応式ビーム形成技術とに分かれる。切換式ビーム形成技術では、送信端子システムが所定のビーム１組のうち最適なビームを選択するが、ビームは使用者の移動につれて変更されることはない。ビームが使用者の移動につれて変更されるものは、適応式ビーム形成技術である。

もう１つのよく用いられる通信技術として、直交周波数分割多重（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、 ＯＦＤＭ）技術があり、この技術では、高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ、 ＦＦＴ）方式によって、元来は単一のキャリア周波数（Ｃａｒｒｉｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を使用していた信号を、複数のサブキャリア周波数（Ｓｕｂ−ｃａｒｒｉｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を使用する信号に変換する。ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ技術は２つの技術の利点を組み合せた混成技術であり、業界でよく使用されている。

第１の先行技術として、Chen Jian Yun及びYan Junによる非特許文献１がある。この技術では、ドップラーシフトを干渉と見なしており、その影響を除去してから信号到来角度の推定を行わなければならない。しかしながら、この方法は相関行列及び相関逆行列から計算しなければならない。

第２の先行技術としては、華南理工大学による特許文献１の「Method for estimating wave arriving based on mobile WIMAX」である。これは逆行列によってドップラー効果を取り除いてから、信号到来方向の推定を行うものである。この方法は、理論上はドップラー効果を完全に除去することができるが、必ず完全且つ正確にチャネル行列係数を推定しなければならず、実際にはドップラーの影響を受けると行えないものである。また、この方法は、必ずチャネル逆行列を計算しなければならないが、逆行列の計算は非常に複雑である。更に、信号到来角度の推定も必ず従来のアレイアンテナ信号の到来角度推定演算法で計算して推定しなければならないので、この方法は２重の非常に複雑な計算を経た場合に限り信号到来角度を得ることができ、即時通信システムにとしては実用性が非常に低い。

しかしながら、高速移動下で広帯域無線通信を行う場合、通信信号は、ドップラー効果（Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｅｆｆｅｃｔ）の影響を受けることになる。ドップラー効果は主に、相対速度に起因するキャリア周波数のシフトのために、広帯域無線通信で採用されるＯＦＤＭ技術においてこのシフトがサブキャリア間干渉（Ｉｎｔｅｒ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ、ＩＣＩ）効果をもたらして、システムの直交性を破壊し、システム効果にエラーフロア（Ｅｒｒｏｒ Ｆｌｏｏｒ）を生じさせる現象である。このため、どのようにドップラー効果の影響を減少させて、高速移動環境におけるシステムのデータ伝送スループットを向上させるかが、業界が解決に尽力する課題の１つである。

中国特許出願公開第１０１２３２３１６号明細書

Chen Jian Yun及びYan Jun著、「Adaptive Blind Doppler DOA Estimate Algorithm Based on Doppler Orthogonalized」（The 4th International conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing、12-14, Oct. 2008）

本発明の目的の１つは、ドップラー効果の影響を効果的に低減させて、高速移動環境におけるＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムのデータ伝送スループットを向上させる信号到来角度の推定装置、推定方法、および通信システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る信号到来角度の推定装置は、相対移動速度における複数の候補入射角度に対応する複数の候補ドップラーシフト行列が含まれるドップラーシフトテーブルを生成する生成部と、受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を計算する相関性計算部と、前記受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものに対応する候補入射角度を選択し、それに基づいて信号到来角度を決定する選択部と、を備える。

また、本発明の一態様に係る推定装置は、前記複数の候補ドップラーシフト行列について共役をとった後、前記受信信号とそれぞれ乗算することによって、該受信信号と該複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を得る。

また、本発明に係る信号到来角度の推定方法は、相対移動速度における複数の候補入射角度に対応する複数の候補ドップラーシフト行列が含まれるドップラーシフトテーブルを生成するステップ、受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を計算するステップ、及び前記受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものに対応する候補入射角度を選択すると共にそれに基づいて信号到来角度を決定するステップを含む。

また、本発明の一態様に係る推定方法は、前記複数の候補ドップラーシフト行列について共役をとった後、前記受信信号とそれぞれ乗算することによって、該受信信号と該複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を得るステップをさらに含む。

また、本発明に係る通信システムは、受信信号を出力するためのアンテナアレイと、推定装置であって、相対移動速度における複数の候補入射角度に対応する複数の候補ドップラーシフト行列が含まれるドップラーシフトテーブルを生成する生成部と、前記受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を計算する相関性計算部と、前記受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものに対応する候補入射角度を選択し、それに基づいて信号到来角度を決定する選択部と、を備える推定装置と、前記信号到来角度に基づいて、受信アンテナパターンの相関パラメータを決定するビーム形成器と、前記ビーム形成器が生成するパラメータを受け取り、アンテナアレイのパターンを変更及び制御するアンテナパターン制御部と、ドップラーシフトを補償するドップラー補償部と、ドップラー補償された受信信号に基づいて、受信データを生成するデータ処理器と、を備える。

また、本発明の一態様に係る通信システムにおいては、前記複数の候補ドップラーシフト行列について共役をとった後、前記受信信号とそれぞれ乗算することによって、該受信信号と該複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を得る。

また、本発明の一態様に係る通信システムにおいては、前記受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものは、該複数の候補ドップラーシフト行列について共役をとった後、該受信信号とそれぞれ乗算した積の最も高いものとする。

また、本発明の一態様に係る通信システムにおいては、前記アンテナアレイは、少なくとも１つの送信アンテナからの前記受信信号を受信する複数の受信アンテナを備える。

また、本発明の一態様に係る通信システムにおいては、前記受信信号は、複数の送信アンテナにより並列伝送で送信される。

また、本発明の一態様に係る通信システムは、前記受信信号は、直交周波数分割多重変調された信号とし、前記信号到来角度に基づいて、該受信信号に対してドップラー補償を行うドップラー補償部と、前記ドップラー補償された前記受信信号を復調するＯＦＤＭ復調部と、を更に備える。

本発明の一実施形態では、生成部と、相関性計算（Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ）部と、選択部とを備える信号到来角度の推定装置を提示する。生成部は、ドップラーシフトテーブル（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｈｉｆｔ ｔａｂｌｅ）を生成し、ドップラーシフトテーブルには、相対移動速度における複数の候補入射角度に対応する複数の候補ドップラーシフト行列が含まれる。相関性計算部は、受信信号と複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を計算する。選択部は、受信信号と複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものに対応する候補入射角度を選択し、これに基づいて信号到来角度を決定する。

別の実施形態においては、信号到来角度の推定方法を提示する。この方法には、次の工程が含まれる。ドップラーシフトテーブルを生成し、このドップラーシフトテーブルには、相対移動速度における複数の候補入射角度に対応する複数の候補ドップラーシフト行列が含まれる。受信信号と複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を計算する。受信信号と複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものに対応する候補入射角度を選択し、これに基づいて信号到来角度を決定する。

さらに別の実施形態においては、アンテナアレイと、推定装置と、ビーム形成器と、データ復号器とを備える通信システムを提示する。アンテナアレイは、受信信号を出力するのに用いられる。推定装置は、生成部と、相関性計算部と、選択部とを備える。生成部は、ドップラーシフトテーブルを生成するのに用いられ、ドップラーシフトテーブルには、相対移動速度における複数の候補入射角度に対応する複数の候補ドップラーシフト行列が含まれる。相関性計算部は、受信信号と複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を計算するのに用いられる。選択部は、受信信号と複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものに対応する候補入射角度を選択し、これに基づいて信号到来角度を決定するのに用いられる。ビーム形成器は、信号到来角度に基づいて、ビーム角度を決定するのに用いられる。データ復号器は、ビーム角度に基づき受信信号を復号して、受信データを生成するのに用いられる。

上述の本発明の内容を更に明確に理解しやすくするために、以下、好適な実施形態を挙げ、付属の図、式と合わせて詳細に説明する。

空間多重化（Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を使用したＭＩＭＯのシステム構成図の一例を示す図である。 空間多重化時のアンテナを２本備えたアンテナアレイと、アンテナを２本備えたアンテナアレイの関係を示す模式図である。 ビーム形成技術を使用したシステムを示す模式図である。 本実施形態におけるドップラー効果の影響下の信号到来角度の推定装置のブロック図である。 ドップラーシフトテーブルの一例を示す図である。 図４の推定装置を使用した通信システムの一例のブロック図である。 並列伝送（Ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）技術を使用した通信システムに図４の推定装置を応用した際の模式図である。 ＯＦＤＭ技術を使用した通信システムに図４の推定装置を応用した際の模式図である。 シミュレーション結果の信号対雑音比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ、 ＳＮＲ）に対するビット誤り率（Ｂｉｔ ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ）を示す図である。 シミュレーション結果の信号対雑音比に対する伝送スループットを示す図である。

図１を参照されたい。これは空間多重化を使用したＭＩＭＯのシステム構成図の一例を示す図である。信号が、空間分離（Ｓｐａｔｉａｌ ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）部１０２による処理を経た後、Ｎ個の送信器１０４を通じて処理され、アンテナをＮ本備えたアンテナアレイ１０６から送信される。送信される信号は、アンテナをＭ本備えたアンテナアレイ１０８により受信された後、Ｍ個の受信器１１０及び空間多重化部１１２を通じて処理され、対応する信号が生成される。

ここで、Ｎ及びＭの値をいずれも２として説明を簡略化する。図２を参照されたい。図２は、空間多重化時のアンテナを２本備えたアンテナアレイ１０６とアンテナを２本備えたアンテナアレイ１０８の関係を示す模式図である。アンテナアレイ１０６が送信する信号Ｓ_１及びＳ_２並びにアンテナアレイ１０８に受信される信号Ｓ^〜 _１及びＳ^〜 _２は次の関係を有する。

ここで、ｈ_１１、ｈ_２１、ｈ_１２及びｈ_２２は、アンテナアレイ１０６と１０８との間の伝送チャネルのチャネル応答（Ｃｈａｎｎｅｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）とする。チャネル応答ｈ_２１及びｈ_１２は、アンテナアレイ１０８の２本のアンテナ間の干渉を表す。ビーム形成技術の使用によって、効果的にアンテナ間の干渉を低減させることができる。

図３を参照されたい。これはビーム形成技術を使用したシステムを示す模式図である。データ出力部３０２が信号をビーム形成器３０４、３０６へ出力した後、ビーム形成器３０４、３０６がそれぞれアンテナアレイ３０８、３１０を制御して特定の方向に向けたナロービーム３１２、３１４を生成することで、干渉を抑制してアンテナ間の干渉を低減させる。このようにして、並列伝送を実現し、通信データ伝送量を向上させることができる。

また、高速移動環境では、ドップラー効果の影響によって、信号到来角度の誤推定が発生することがある。誤った信号到来角度の推定は、誤ったビーム形成となって、アンテナ間の相互干渉の状況を更に深刻にする。このため、本発明は、ドップラー効果における信号到来角度の推定装置を提示することによって、信号到来角度を正確に推定して、高速移動環境におけるシステムのデータ伝送のスループットを向上させる。

ここで、更に次のように詳述する。相対移動がある場合、受信端子のアンテナアレイに受信された、ドップラー効果及び多重経路の減衰の影響を受けた受信信号ベクトルＵは、式（１）に示される。

Ｕ＝Ａ’Ｓ＋Ｎ
＝（Ａ_１’＋Ａ_２’＋…＋Ａ_ｌ’＋…Ａ_Ｌ’）Ｓ＋Ｎ
＝Ａ_１’Ｓ＋Ａ_２’Ｓ＋…＋Ａ_ｌ’Ｓ＋…Ａ_Ｌ’Ｓ＋Ｎ （１）

ここで、ベクトルＡ_ｌ’は、第ｌの経路がドップラーの影響を受けたアレイ応答を表し、ベクトルＳは、入力信号アレイとし、ベクトルＮは、雑音アレイとする。式（１）により、多重経路の信号の重畳の影響が明確に分かる。ここで、ベクトルＡ_ｌ’は、式（２）により表すことができる。

ここで、ベクトルＡ_ｌは、第ｌの経路のチャネルアレイ応答を表し、ベクトルＷ_ｌは第ｌの経路のドップラーシフト行列を表し、ｐはＯＦＤＭシステムにおいて使用される合計Ｐ個のパイロット信号（Ｐｉｌｏｔ）のサブキャリア周波数を有する第ｐのパイロット信号を表し、Ｃは光速を表し、Ｄはアンテナ間の距離を表し、ｆ_ｐは第ｐのパイロット信号のサブキャリア周波数を表し、θ（ｌ）は、第ｌの経路の信号入射角度を表し、α_l ¹〜α_l ^pは、多重経路の減衰振幅を表す。このため、式（２）を式（１）に代入して、式（１）を式（３）に変形してもよい。
Ｕ＝Ａ_１Ｗ_１Ｓ＋Ａ_２Ｗ_２Ｓ＋・・・＋Ａ_ｌＷ_ｌＳ＋・・・＋Ａ_ＬＷ_ＬＳ＋Ｎ （３）

式（３）から明確に分かるように、ドップラー効果の発生がある場合、アレイ応答が多少シフトしており、このドップラーシフト行列Ｗ_ｌは、式（４）のように表すことができる。

ここで、ｅ^{ｊｗ（ｌ）（１）}〜ｅ^{ｊｗ（ｌ）（Ｐ）}は、第１〜第Ｐのパイロット信号のドップラーシフト係数とし、ここで、ｗ（ｌ）（ｐ）は、式（５）のように表すことができる。
ｗ（ｌ）（ｐ）＝（Ｖ／λ_ｐ）ｃｏｓθ（ｌ） （５）

Ｖは、相対移動速度とし、λ_ｐは、信号の波長とする。式（５）から明確に分かるように、ドップラーシフト係数が主に相対移動速度Ｖ及び信号入射角度θ（ｌ）の２つの変数により制御されており、このため、相対移動速度Ｖが既知である場合には、ドップラーシフト係数は信号入射角度θ（ｌ）のみにより制御される。

相対移動速度がＫ個あることが既知であるとき、第ｋ番目の相対移動速度を、Ｖ_ｋと示す。既知の第ｋの相対移動速度Ｖ_ｋにおいて、或る１つの入射経路ｌの可能性のある全ての信号入射角度θ（ｌ，ｉ）（ｋ）（ここで、可能性のある全ての信号入射角度θ（ｌ，ｉ）（ｋ）を複数の候補入射角度と定義する。ｋは、第ｋ番目の相対移動速度Ｖ_ｋに対応する信号入射角度であることを表す。信号入射角度を０度〜１８０度とすることを例に、１０度の間隔であるとすると、θ（ｌ，ｉ）（ｋ）＝０，１０，・・・，１８０；ｉ＝１、２、・・・、１９である）を代入することによって、異なる相対移動速度Ｖ_ｋにおいて、異なる全ての信号入射角度の全てのドップラーシフト行列Ｗ_ｌ ^{θ（ｌ，ｉ）（ｋ）}を式（６）のように事前に求めることができる。

ここで、ｗ（ｌ）｛ｐ，θ（ｌ，ｉ）（ｋ）｝は、以下の式で表わされる。
w(l){p,θ(l,i)(k)}=(V_k/λ_p)cosθ(l,i)(k) （７）

式（６）の方式に従って予めドップラーシフトテーブルを構築し、このドップラーシフトテーブルは、少なくとも、１つの相対移動速度Ｖ_ｋにおいて、複数の候補入射角度θ（ｉ）（ｋ）に対応する複数の候補ドップラーシフト行列Ｗ_ｌ ^{θ（ｌ，ｉ）（ｋ）}を記録している。このドップラーシフトテーブルは、例えば、各候補ドップラーシフト行列Ｗ_ｌ ^{θ（ｌ，ｉ）（ｋ）}の全ての対角線要素（すなわちｅ^{ｊｗ（ｌ）｛１，θ（ｌ，ｉ）（ｋ）｝}〜ｅ^{ｊｗ（ｌ）｛Ｐ，θ（ｌ，ｉ）（ｋ）｝}）（候補ドップラーシフト行列Ｗ_ｌ ^{θ（ｌ，ｉ）（ｋ）}における対角線の要素を候補ドップラーシフト係数と定義する）を記録することによって各候補ドップラーシフト行列Ｗ_ｌ ^{θ（ｌ，ｉ）（ｋ）}を記録する。このドップラーシフトテーブルは、複数の相対移動速度において、複数の候補入射角度に対応する複数の候補ドップラーシフト行列を記録してもよい。

互いに共役な指数関数のベクトルを乗算すると、式（８）に示すように、得られる積は最大値となる。

Gain_max=conj{W_l ^θ(l,i)(k)}×W_l ^θ(l,i)(k) if x=y
≠conj{W_l ^θ(l,i)(k)}×W_l ^θ(l,i)(k) if x≠y （８）

ここで、ｘは、真の信号入射角度に対応し、ｙは、全ての候補入射角度に対応し、演算記号conj{●}は、共役演算子を表す。

このため、相対移動速度の値が既知であると、事先に記憶された異なる全ての候補信号入射角度に対応するドップラーシフト行列Ｗ_ｌ ^{θ（ｌ，ｉ）（ｋ）}について共役をとった後、アレイアンテナに受信された信号ベクトルＵをドップラーシフト行列Ｗ_ｌ ^{θ（ｌ，ｉ）（ｋ）}と乗算することで、真の信号入射角度θ（ｒ）は式（９）のように求められる。

θ（ｒ）＝ｍａｘ[conj｛Ｗ_ｌ ^{θ（ｌ，ｉ）（ｋ）}｝×Ｕ] （９）

式（８）で入力信号ベクトルＵの真の入射角度を求めることができる理由は主に、入力信号ベクトルＵ自体が信号入射角度のデータを含んでいる（信号入射角度のデータは、例えば式（２）のドップラーシフト行列Ｗ_ｌに含まれる）からであり、このため、共役をとってから入力信号ベクトルＵと乗算するドップラーシフト行列Ｗ_ｌ ^{θ（ｌ，ｉ）（ｋ）}に対応する角度を真の入射角度とする場合に、この積は最大値となる。

式（９）で求められる真の信号入射角度（「真の信号入射角度」は「信号到来角度」とし得る）に基づいて、既知の相対移動速度と合わせると、その時のドップラー効果による周波数のシフト量を推算することができる。このように、まずずれた周波数を補償することで高速移動におけるドップラー効果の影響を低減させることができる。また、真の信号入射角度（信号到来角度）に基づいて、ビーム形成技術使用時のビーム角度を決定することもできる。

以上の検討により、本実施形態におけるドップラー効果の影響下の信号到来角度の推定装置が提示された。そのブロック図は図４に示す通りである。推定装置４００は、生成部４０２と、相関性計算部４０４と、選択部４０６とを備える。生成部４０２は、ドップラーシフトテーブルを生成する。このドップラーシフトテーブルには、相対移動速度Ｖ_ｋにおける複数の候補入射角度に対応する複数の候補ドップラーシフト行列が含まれる。相関性計算部４０４は、受信信号ベクトルＵとこれらの候補ドップラーシフト行列との相関性を計算する。選択部４０６は、受信信号ベクトルＵと複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものに対応する候補入射角度を選択し、これに基づいて信号到来角度を決定する。

上記相関性計算部４０４では、複数の候補ドップラーシフト行列について共役をとった後、受信信号ベクトルＵとそれぞれ乗算することによって、受信信号ベクトルＵと複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を得る。上記演算では、例えば、相関性の最も高いものとして、積が最大のものを選択する。

推定装置４００は、或る時間おきに速度データを取得し、相対移動速度Ｖ_ｋを得る。生成部４０２は、少なくとも相対移動速度Ｖ_ｋにおける全ての候補入射角度に対応するドップラーシフト行列（式（６）参照）を、事前に記憶するか又は生成し、ドップラーシフトテーブルを構築する。

その後、相関性計算部４０４が受信信号ベクトルＵと相対移動速度Ｖ_ｋに対応する複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を計算する。その後、信号到来角度として、相関性の最も高いものに対応する候補入射角度を選択する。

図５を参照されたい。これは、ドップラーシフトテーブルの一例を示す図である。このテーブルが或る特定の相対移動速度に対応するとし、候補入射角度が１度〜１８０度であり、且つ合計Ｎｓ個のパイロット信号を有するとする。或る特定の候補入射角度に対して、対応する一列が、Ｎｓ個のパイロット信号に対応するＮｓ個の候補ドップラーシフト係数、すなわち、特定の角度毎に対応する候補ドップラーシフト行列の対角線上の全ての要素を記録する。

図６を参照されたい。これは、図４の推定装置４００を使用した通信システムの一例のブロック図である。通信システム６００は、アンテナアレイ６０２と、推定装置４００と、ビーム形成器６０４と、データ処理器６０６と、ドップラー補償部（図示しない）と、アンテナパターン制御部（図示しない）とを備える。アンテナアレイ６０２は、受信信号ベクトルＵを出力するのに用いられる。推定装置４００は、受信信号ベクトルＵに基づいて信号到来角度を決定する。ビーム形成器６０４は、信号到来角度に基づき、例えばビーム角度のような受信アンテナパターンの相関パラメータを決定し、アンテナパターン制御部へ送信して、アンテナアレイ６０２のパターンを変更する。ドップラー補償部は、ドップラーシフトを補償するのに用いられる。受信信号ベクトルＵがドップラー補償部を経た後、補償された信号ベクトルＵ^〜が生成され、データ処理器６０６は、補償された信号ベクトルＵ^〜を等化及び復調して、受信データＤを生成する。なお、アンテナアレイ６０２は、複数の受信アンテナを備えており、少なくとも１つの送信アンテナ６０８からの受信信号ベクトルＵを受信するのに用いられる。

推定装置４００は、並列伝送技術を使用した通信システム７００に応用してもよい。図７は、並列伝送（Ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）技術を使用した通信システムに図４の推定装置を応用した際の模式図である。複数の送信アンテナ７０２と複数のアンテナアレイ（例えばアンテナアレイ７０４、７０６）との間では、並列伝送（Ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）が行われている。アンテナアレイ７０４が出力する受信信号ｕ１’は推定装置４００ａ、ドップラー補償部（図示しない）により処理される。その後、ドップラー補償部が補償された信号ｕ^〜１’をデータ処理器７１０へ出力する。アンテナアレイ７０６が出力する受信信号ｕ２’は、推定装置４００ｂ及びドップラー補償部（図示しない）により処理される。その後、ドップラー補償部が補償された信号ｕ^〜２’をデータ処理器７１０へ出力する。データ処理器７１０は受信信号ｕ１’、ｕ２’に対応するデータ信号Ｄ’を生成する。ビーム形成器７０８、７１２並びにアンテナパターン制御部（図示しない）が、それぞれアンテナアレイ７０４、７０６のパターンを制御及び変更する。並列伝送によって、データのスループットを増加させることができる。

推定装置４００は更に、ＯＦＤＭ技術を使用した通信システム８００に応用してもよい。図８は、ＯＦＤＭ技術を使用した通信システムに図４の推定装置を応用した際の模式図である。受信信号ｕ１’’、ｕ２’’はＯＦＤＭ変調された信号とし、すなわち、複数の送信アンテナ８０２から出力される信号はオリジナル信号Ｓが空間符号器（図示しない）並びにＯＦＤＭ変調部８０１ａ、８０１ｂを通じて処理された信号である。図８の通信システム８００は、更にＯＦＤＭ復調部８０４、８０５を備える点が図７の通信システム７００と異なる。ドップラー補償部８１０、８１２は、信号到来角度に基づいて、受信信号ｕ１’’、ｕ２’’に対してドップラー補償を行い、ドップラー補償された信号は、ＯＦＤＭ復調部８０４、８０５により復調される。データ処理器８１４は、受信信号ｕ１’’、ｕ２’’に対応するデータ信号Ｄ’’を生成する。例えば、２経路で受信される信号の空間復号処理が行われる。ビーム形成器８１１、８１３並びにアンテナパターン制御部（図示しない）は、それぞれアンテナアレイ８０６、８０７のパターンを制御及び変更する。

本実施形態では、逆行列の演算を使用する必要はなく、演算の複雑さにおいて上記の２つの従来の方法よりも大変簡単で高速であり、良好な信号到来角度の推定結果を得ることもでき、高速処理を重視する即時通信システムに極めて適する。

ここで、図８の通信システム８００を例としてシミュレーションを行って、第２の従来技術と比較する。シミュレーションの際に、送信端子のアンテナには全方向性アンテナを２本使用しており、送信端子のアンテナ間の距離はチャネルの影響を無視できる程度に大きい。受信端子のアンテナにはアンテナアレイを２組使用しており、アンテナアレイの組毎にそれぞれアンテナユニットを４本有し、距離は２分の１波長とする。相対移動速度は３００ｋｍ／ｈとする。

図９を参照されたい。図９は、シミュレーション結果の信号対雑音比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ、 ＳＮＲ）に対するビット誤り率（Ｂｉｔ ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ）を示す図である。曲線９０２は、ビーム形成を実施しておらず且つドップラー効果の補償を有しないシミュレーション結果であり、曲線９０４は、図８の実施形態に対応するシミュレーション結果であり、曲線９０６は、上記第２の従来技術のシミュレーション結果である。曲線９０２から分かるように、ドップラー効果の補償を行わなければ、ＳＮＲが増加した場合に、ビット誤り率が高くなって、エラーフロアの現象を生ずる。第２の従来技術の曲線９０６は完璧な結果に近いが、その代わり極めて複雑な演算処理を要し、実際の製品においては実現困難である。しかしながら、曲線９０４から分かるように、本実施形態では、比較的複雜でない演算で第２の従来技術の曲線９０６に近い効果を実現できる。

図１０を参照されたい。図１０は、シミュレーション結果の信号対雑音比に対する伝送スループットを示す図である。曲線１００２は、ビーム形成を実施しておらず且つドップラー効果の補償を有しないシミュレーション結果であり、曲線１００４は、図８の実施形態に対応するシミュレーション結果であり、曲線１００６は、上記第２の従来技術におけるシミュレーション結果である。同様に曲線１００４から分かるように、本実施形態は、比較的シンプルな演算で第２の従来技術による曲線１００６に近い効果を実現できる。

本発明に係るドップラー効果における推定装置、推定方法および通信システムは、ドップラーシフト行列自体が信号到来角度のデータを含むという特性を利用し、ドップラー効果の影響を受けた受信信号を、相対移動速度が既知である場合の複数の候補入射角度に対応するドップラー行列の共役値と乗算することを通じて、信号到来角度を推算する。本発明は、簡単な演算を利用するだけで信号到来角度を推定することができ、アンテナアレイのビーム形成の主ビームを信号到来角度に合わせるのに提供され、ドップラーシフトを補償する際の用途とすることもできる。本発明は、高速移動環境においてマルチアンテナの並列伝送時のアンテナ間の干渉を低減させて、データ伝送スループットを向上させることができる。

以上により本発明は複数の実施形態によって明らかにされたが、本発明はこれらによって限定されるものではない。本発明の当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱しない範囲で、種々の修正及び変更をしてもよいものとする。本発明の権利範囲は、特許請求の範囲で定義されたものを基準に判断するものとする。

１０２ 空間分離部、１０４ 送信器、１０６、１０８、３０８、３１０、６０２、７０４、７０６、８０６、８０７ アンテナアレイ、１１０ 受信器、１１２ 空間多重化部、３０２ データ出力部、３０４、３０６、６０４、７０８、７１２、８１１、８１３ ビーム形成器、３１２、３１４ ナロービーム、４００、４００ａ、４００ｂ 推定装置、４０２ 生成部、４０４ 相関性計算部、４０６ 選択部、６００、７００、８００ 通信システム、６０６、７１０、８１４ データ処理器、６０８、７０２、８０２ 送信アンテナ、６１０、７１８、７２０、８１０、８１２ ドップラー補償部、８０１ａ、８０１ｂ ＯＦＤＭ変調部、８０４、８０５ ＯＦＤＭ復調部、９０２、９０４、９０６、１００２、１００４、１００６ 曲線。

Claims (10)

1. 相対移動速度における複数の候補入射角度に対応する複数の候補ドップラーシフト行列が含まれるドップラーシフトテーブルを生成する生成部と、
   受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を計算する相関性計算部と、
   前記受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものに対応する候補入射角度を選択し、それに基づいて信号到来角度を決定する選択部と、
   を備える、信号到来角度の推定装置。
2. 前記複数の候補ドップラーシフト行列について共役をとった後、前記受信信号とそれぞれ乗算することによって、該受信信号と該複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を得る、請求項１に記載の推定装置。
3. 相対移動速度における複数の候補入射角度に対応する複数の候補ドップラーシフト行列が含まれるドップラーシフトテーブルを生成するステップ、
   受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を計算するステップ、及び
   前記受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものに対応する候補入射角度を選択すると共にそれに基づいて信号到来角度を決定するステップ
   を含む、信号到来角度の推定方法。
4. 前記複数の候補ドップラーシフト行列について共役をとった後、前記受信信号とそれぞれ乗算することによって、該受信信号と該複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を得るステップをさらに含む、請求項３に記載の推定方法。
5. 受信信号を出力するためのアンテナアレイと、
   推定装置であって、
   相対移動速度における複数の候補入射角度に対応する複数の候補ドップラーシフト行列が含まれるドップラーシフトテーブルを生成する生成部と、
   前記受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を計算する相関性計算部と、
   前記受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものに対応する候補入射角度を選択し、それに基づいて信号到来角度を決定する選択部と、
   を備える推定装置と、
   前記信号到来角度に基づいて、受信アンテナパターンの相関パラメータを決定するビーム形成器と、
   前記ビーム形成器が生成するパラメータを受け取り、アンテナアレイのパターンを変更及び制御するアンテナパターン制御部と、
   ドップラーシフトを補償するドップラー補償部と、
   ドップラー補償された受信信号に基づいて、受信データを生成するデータ処理器と、
   を備える、通信システム。
6. 前記複数の候補ドップラーシフト行列について共役をとった後、前記受信信号とそれぞれ乗算することによって、該受信信号と該複数の候補ドップラーシフト行列との相関性を得る、請求項５に記載の通信システム。
7. 前記受信信号と前記複数の候補ドップラーシフト行列との相関性の最も高いものは、該複数の候補ドップラーシフト行列について共役をとった後、該受信信号とそれぞれ乗算した積の最も高いものとする、請求項６に記載の通信システム。
8. 前記アンテナアレイは、少なくとも１つの送信アンテナからの前記受信信号を受信する複数の受信アンテナを備える、請求項５に記載の通信システム。
9. 前記受信信号は、複数の送信アンテナにより並列伝送で送信される、請求項８に記載の通信システム。
10. 前記受信信号は、直交周波数分割多重変調された信号とし、
    前記信号到来角度に基づいて、該受信信号に対してドップラー補償を行うドップラー補償部と、
    前記ドップラー補償された前記受信信号を復調するＯＦＤＭ復調部と、
    を更に備える、請求項５に記載の通信システム。

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