JP5669046B2 - 無線信号の受信方法及び受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、一つ以上の非希望端末からの干渉信号が到来する環境において、非希望端末からの信号をキャンセルしつつ、一つ以上の希望端末からの信号を受信する干渉キャンセラ技術に関する。

従来から複数のアンテナを有し、アナログフィルタを用いて主信号に指向性を向け、干渉信号を抑圧する方式についての研究が盛んに行われている。予めアナログ回路で信号対雑音電力比を高めるように受信することで、アナログ・デジタル変換器の数を減らすことができ、また、干渉信号の影響を除去することで、信号検出・ＡＧＣ（Auto gain control）・ＡＦＣ（Auto frequency control）の精度を高めることができる（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、アナログ・デジタル変換器の数がアンテナ素子数より少ない構成では、アナログフィルタの係数を決定するための方法として、ブラインドアルゴリズムを用いる必要がある。ブラインドアルゴリズムを用いる場合、主信号および干渉信号が継続的に到来する通信環境では、従来の技術で有効に動作させることができる。しかしながら、パケット送信に基づくシングルキャリア方式およびＯＦＤＭ方式による通信では、主信号と干渉信号が独立のタイミングで到来する場合に、従来方式で干渉除去を行うことは難しい。

図６に従来の送受信装置の構成を示す。図６において、１−１〜１−Ｐはアンテナ、３はアナログフィルタ部、３−１−１〜３−１−Ｐはアナログフィルタ、４は結合器、５は受信装置、６は信号検出回路、７は復号回路、８はフィルタ係数設定回路である。まず、送信されている信号として、サイクリックプリフィックスを用いた送信信号の場合、時刻ｎにおけるＭ×１の情報信号ブロックｓ（ｎ）にＫポイントのガードインターバルとしてサイクリックプリフィックスが付与され、（Ｍ＋Ｋ）×１の送信信号ブロックｓ’（ｎ）が生成される。

ここで、Ｔｃｐは（Ｍ＋Ｋ）×ＭのＧＩ付加行列であり、

で定義される。

ただし、０Ｋ×（Ｍ−Ｋ）はＫ×（Ｍ−Ｋ）の零行列を表し、ＩＭ×ＭはＭ×Ｍの単位行列を表す。ここで、ｓ（ｎ）は直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）の信号であってもよいし、シングルキャリア伝送方式（ＳＣ）の信号であってもよい。

受信アンテナ素子数をＰとし、通信路のインパルス応答長をＬとすると、ｐ番目のアンテナ素子における通信路の（Ｍ×１）のインパルス応答ベクトルは

と表せる。受信ブロックに付加される（Ｍ＋Ｋ）×１の雑音ベクトルをｎｐ（ｎ）とする。ただし、ｎｐ（ｎ）の各成分は平均０、分散σ^２の白色雑音であるとする。このときアレー出力におけるインパルス応答ベクトル

および雑音ベクトルｎ’（ｎ）は、Ｐ×１のフィルタ係数ベクトル

を用いて、

と書ける。ここで、（・）^Ｈはエルミート転置を表す。

以下に、各アンテナにより受信された信号についての処理動作を説明する。まず、アンテナ１−ｉ（１≦ｉ≦Ｐ）において受信される、時刻ｎおよび時刻（ｎ−１）に対応する（Ｍ＋Ｋ）×１の受信信号ｒ’ｉ（ｎ）が得られる。ここで、時刻（ｎ−１）に対応する受信信号とは、時刻ｎの主信号に対する時刻（ｎ−１）の主信号によるシンボル間干渉に相当する信号成分である。アナログフィルタ３では、各アンテナに対応するアナログフィルタ３−ｉ（１≦ｉ≦Ｐ）が、フィルタ係数設定回路８により設定された係数ｗｉを受信信号に乗算し、結合器４において各アナログフィルタ３−１〜３−Ｐからの出力信号を結合し、受信装置５において周波数変換され、デジタル信号として取得された後、信号検出回路６により時刻ｎの送信信号に対応する受信信号ブロックが

として得られる。

ＧＩ除去前の受信信号ブロックは、インパルス応答および熱雑音を用いて、

で与えられる。ここで、Ｈ０およびＨ１は、アレー出力におけるインパルス応答ベクトルの係数を用いて

で定義される（Ｍ＋Ｋ）×（Ｍ＋Ｋ）の行列である。

復号回路８は、まずサイクリックプリフィックスの除去を行う。ＧＩ除去行列は

と表せ、これを用いることで、サイクリックプリフィックスが除去され、Ｍ×１の受信信号ブロック

を得る。ただし、インパルス応答の次数がサイクリックプリフィックス長以下であること、すなわちＫ≧Ｌ−１を仮定している。

さらに、

とすると、

と表せる。Ｃはその成分を書き下すことで、

と書ける。

ここで、Ｃｉｒ［ａ］は、第１列がベクトルａである巡回行列を表す。巡回行列の逆行列は巡回行列であり、また巡回行列は離散フーリエ変換（ＤＦＴ）行列により対角化される。したがって、行列Ｃは（ｋ，ｎ）成分が

で与えられるＭ×ＭのＤＦＴ行列Ｄを用いて、

と表すことができる。

従来の方式では、アダプティブアレーのフィルタ係数ｗを、アレー出力のＳＮＲを最大化したり、ＭＭＳＥアルゴリズムを用いたりして決定することができる。ここで、相関行列〜Ｒｍ（〜はＲの頭に付く、以下同様）を以下のように定義する。

フィルタ係数ｗは

を最大化するように決定でき、〜Ｒｍのｍ＝１〜Ｍの総和として得られる行列の最大固有値に対応する固有ベクトルをｗとして決定することができる。

またはＭＭＳＥアルゴリズムの最急降下法を用いて、

ここで、ｗ（ｋ）はｋ回目のイタレーションでのフィルタ係数ベクトル、μはステップサイズパラメータであり、０＜μ＜１として設定される。このようにしてフィルタ係数ベクトルを得ることができる。復号回路７は受信した信号を復号するとともに、（２３）式や（２４）式において固有ベクトルｗを決定するのに必要な係数をフィルタ係数設定回路８へ出力する。フィルタ係数設定回路８は新たなフィルタ係数を計算し、アナログフィルタ３−１〜３−Ｍのフィルタ係数を更新する。

ＯＦＤＭに対しても上記アルゴリズムは同様に用いることができる。ＯＦＤＭでは、（１）式の情報信号ブロックｓ（ｎ）が、周波数領域で生成されたＫポイントの送信信号ｄ（ｎ）にＩＤＦＴを用いて、

と定義され、受信側では、周波数領域で等化した後にＩＤＦＴを行うことなく復号することで送信信号が得られる。ＯＦＤＭ信号の送信信号ｄ（ｎ）は、周波数領域のチャネル情報λ１〜λＫの逆数を対角要素とする対角行列Γを用いて

として得られる。ここでΓ＝Λ^−１である。

従来の方法では、各アナログフィルタに単一の係数を指定するため、選択性フェージングが問題となるブロードバンド信号に適用する場合、干渉信号の抑圧効果が小さくなる問題がある。

M. L. Leou and C. C. Yeh, "Novel Hybrid of Adaptive Array and qualizer for Mobile Communications," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 49, pp. 1-10, Jan. 2000.

前述したように、従来の方法では、アナログフィルタにより、通信品質を改善する受信装置において、干渉信号が受信される場合に、選択性フェージング環境において希望信号の抽出効果が小さくなるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、通信品質を改善する受信装置において、干渉信号が受信される場合に、選択性フェージング環境において希望信号の抽出効果が小さくなるという問題を解決することができる無線信号の受信方法及び受信装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数の受信アンテナのそれぞれに、複数の遅延素子とフィルタ係数を乗算する複数の乗算素子を有するアナログフィルタを接続され、前記アナログフィルタのフィルタ係数を制御することにより、希望波の信号品質を改善する無線信号の受信装置における受信方法であって、希望信号を送信するアンテナと前記受信アンテナとの間のインパルス応答を受信処理前に推定するチャネル推定ステップと、前記推定されたインパルス応答を用いて、複数のアナログフィルタの、複数のフィルタ係数からなるフィルタ係数ベクトルを算出するフィルタベクトル推定ステップと、前記算出されたフィルタ係数ベクトルにより、前記受信アンテナのそれぞれから入力された受信信号に重みづけ処理を行う重みづけステップとを有し、前記フィルタベクトル推定ステップは、離散フーリエ行列Ｄのｋ番目の行ベクトルｄｋの巡回行列Ｄｋを用いた相関行列Ｄｋ^ＨＤｋを対角に並べたブロック対角行列Φｋ、希望信号のインパルス応答行列￣Ｈ（￣はＨの頭に付く）、干渉信号のインパルス応答行列￣Ｋ（￣はＫの頭に付く）、離散フーリエ変換処理のポイント数Ｍを用いて表せる

を、

の条件下で最小化することによりフィルタ係数を算出することを特徴とする。

本発明は、複数の受信アンテナのそれぞれに、複数の遅延素子とフィルタ係数を乗算する複数の乗算素子を有するアナログフィルタを接続され、前記アナログフィルタのフィルタ係数を制御することにより、希望波の信号品質を改善する無線信号の受信装置における受信方法であって、希望信号を送信する複数のアンテナと前記受信アンテナとの間のインパルス応答￣Ｈ１〜￣ＨＺ（￣はＨの頭に付く）を受信処理前に推定するチャネル推定ステップと、前記推定されたインパルス応答を用いて、複数のアナログフィルタの、複数のフィルタ係数からなるフィルタ係数ベクトルを算出するフィルタベクトル推定ステップと、前記算出されたフィルタ係数により、前記受信アンテナのそれぞれから入力された受信信号に重みづけ処理を行う重みづけステップとを有し、前記フィルタベクトル推定ステップは、α番目の送信アンテナに対し、離散フーリエ行列Ｄのｋ番目の行ベクトルｄｋの巡回行列Ｄｋを用いた相関行列Ｄｋ^ＨＤｋを対角に並べたブロック対角行列Φｋ、干渉信号のインパルス応答行列￣Ｋ（￣はＫの頭に付く）、離散フーリエ変換処理のポイント数Ｍを用いて表せる

を、

の条件下で最小化することにより、フィルタ係数ベクトルｗをα番目の送信アンテナに対するフィルタ係数ベクトルｗ_αとして算出することを特徴とする。

本発明は、前記フィルタベクトル推定ステップは、フィルタ係数ベクトルｗ、離散フーリエ行列Ｄのｋ番目の行ベクトルｄｋの巡回行列Ｄｋを用いた相関行列Ｄｋ^ＨＤｋを対角に並べたブロック対角行列Φｋ、インパルス応答行列￣Ｈ（￣はＨの頭に付く）、干渉信号のインパルス応答行列￣Ｋ（￣はＫの頭に付く）、雑音電力と干渉電力の重みを決定するパラメータγ、離散フーリエ変換処理のポイント数Ｍを用いて、μをステップサイズパラメータとして、逐次的にウエイトを演算し、α番目の送信アンテナに対するｊ＋１回目の逐次演算後のタップ重みをｗα（ｊ＋１）を

として算出することを特徴とする。

本発明は、得られたフィルタ係数ｗ１〜ｗＱに対し、直交化法を用い、ｉ番目のフィルタ係数ベクトルｗ_ｉに対し、１〜（ｉ−１）番目のフィルタ係数ベクトルｗ_１〜ｗ_{（ｉ−１）}に対する直交条件を付加することで、複数の受信装置に対する出力をそれぞれ相関の低い受信信号とすることを特徴とする。例えば、得られたフィルタ係数に対して、

として、ｉ番目のフィルタ係数ベクトルに対し、１〜（ｉ−１）番目のフィルタ係数ベクトルに対し直交条件を付加する。

本発明は、複数の受信アンテナのそれぞれに、複数の遅延素子とフィルタ係数を乗算する複数の乗算素子を有するアナログフィルタを接続され、前記アナログフィルタのフィルタ係数を制御することにより、希望波の信号品質を改善する無線信号の受信装置であって、
希望信号を送信するアンテナと前記受信アンテナとの間のインパルス応答を受信処理前に推定するチャネル推定手段と、前記推定されたインパルス応答を用いて、複数のアナログフィルタの、複数のフィルタ係数からなるフィルタ係数ベクトルを算出するフィルタベクトル推定手段と、前記算出されたフィルタ係数により、前記受信アンテナのそれぞれから入力された受信信号に重みづけ処理を行う重みづけ手段とを備え、前記フィルタベクトル推定手段は、離散フーリエ行列Ｄのｋ番目の行ベクトルｄｋの巡回行列Ｄｋを用いた相関行列Ｄｋ^ＨＤｋを対角に並べたブロック対角行列Φｋ、希望信号のインパルス応答行列￣Ｈ（￣はＨの頭に付く）、干渉信号のインパルス応答行列￣Ｋ（￣はＫの頭に付く）、離散フーリエ変換処理のポイント数Ｍを用いて表せる

を、

の条件下で最小化することによりフィルタ係数ベクトルｗを算出することを特徴とする。

本発明は、複数の受信アンテナのそれぞれに、複数の遅延素子とフィルタ係数を乗算する複数の乗算素子を有するアナログフィルタを接続され、前記アナログフィルタのフィルタ係数を制御することにより、希望波の信号品質を改善する無線信号の受信装置であって、
希望信号を送信する複数のアンテナと前記受信アンテナとの間のインパルス応答￣Ｈ１〜￣Ｈ２（￣はＨの頭に付く）を受信処理前に推定するチャネル推定手段と、前記推定されたインパルス応答を用いて、複数のアナログフィルタの、複数のフィルタ係数からなるフィルタ係数ベクトルを算出するフィルタベクトル推定手段と、前記算出されたフィルタ係数により、前記受信アンテナのそれぞれから入力された受信信号に重みづけ処理を行う重みづけ手段とを備え、前記フィルタベクトル推定手段は、α番目の送信アンテナに対し、離散フーリエ行列Ｄのｋ番目の行ベクトルｄｋの巡回行列Ｄｋを用いた相関行列Ｄｋ^ＨＤｋを対角に並べたブロック対角行列Φｋ、干渉信号のインパルス応答行列￣Ｋ（￣はＫの頭に付く）、離散フーリエ変換処理のポイント数Ｍを用いて表せる

を、

の条件下で最小化することによりフィルタ係数ベクトルｗをα番目の送信アンテナに対するフィルタ係数ベクトルｗ_αとして算出することを特徴とする。

本発明によれば、非同期で到来するパケット信号に対し、干渉信号を抑圧しつつ、希望信号の受信を可能にするという効果が得られる。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示すアナログフィルタ部３の構成を示す図である。 図１に示す受信装置の変形例の構成を示すブロック図である。 有効性を確認するための計算機シミュレーション結果を示す図である。 有効性を確認するための計算機シミュレーション結果を示す図である。 従来の送受信装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による無線信号の受信装置を説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、図６に示す従来の装置と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。この図に示す装置が従来の装置と異なる点は、フィルタ係数設定回路８に代えて、チャネル推定回路９と、フィルタベクトル設定回路１０が設けられている点である。

ここで、図２を参照して、図１に示すアナログフィルタ部３の詳細な構成を説明する。図２は、図１に示すアナログフィルタ部３の構成を示す図である。アナログフィルタ部３は、受信信号が入力される直列結合された（Ｎ−１）個の遅延素子と、各遅延素子の出力に対して重みづけをするＮ個の乗算素子により構成される。時刻ｎにおけるＭ×１の情報信号ブロックｓ（ｎ）にＭポイントＩＤＦＴを行ったのち、Ｋポイント長のサイクリックプリフィックスを付加した（Ｍ＋Ｋ）×１の送信信号ブロックｓ’（ｎ）は（１）式と同様に与えられる。ここでは、説明を簡単にするために、ＯＦＤＭ信号の送信を考え、（２５）式のように、周波数領域の送信信号ｄ（ｎ）を用いて、ｓ（ｎ）を生成するものとする。

ここで、従来と同様にチャネルのインパルス応答長をＬとし、ｐ番目の受信アンテナ素子における通信路のインパルス応答を｛ｈｐ，１，ｈｐ，２，．．．ｈｐ，Ｌ｝とする。（１２）、（１３）式で用いられるインパルス応答｛ｈ１，ｈ２，．．．ｈＬ｝が各アンテナで係数ｗｐを乗算した後、和をとった受信信号に対するインパルス応答であるのに対し、｛ｈｐ，１，ｈｐ，２，．．．ｈｐ，Ｌ｝は各受信アンテナと送信アンテナ、または送信ビームとの間のインパルス応答である点が異なる。ｐ番目の受信アンテナにおけるサイクリックプリフィックス除去前の受信信号ベクトル￣ｒｐ（￣はｒの頭に付く、以下、￣は後に続く文字の頭に付く）は

であり、Ｈｐ，０およびＨｐ，１は

で定義される（Ｍ＋Ｋ）×（Ｍ＋Ｋ）の行列である。

ここで、￣ｎｐ（ｎ）は、ｐ番目の受信アンテナ素子における（Ｍ＋Ｋ）×１の雑音ベクトルであり、各成分を平均０、分散σ^２の白色雑音であるとする。また、￣ｒI，ｐ（ｎ）は、ｐ番目の受信アンテナ素子における（Ｍ＋Ｋ）×１の干渉信号ベクトルであり、通信相手でない送信端末の送信信号に対応する。また、チャネル推定回路９は各受信アンテナにおけるチャネル情報（インパルス応答）を、受信処理を行う前に予め取得する。例えば、１〜Ｐのうちいずれか一つのアンテナからのみ信号が受信装置に取得できるようにフィルタ係数を設定し、通信相手から送信される既知信号ｓ（ｎ）を取得することによりチャネル情報を推定し、これをすべてのアンテナについて行うことにより、全アンテナに対応するチャネル情報を推定し、記憶しておく。

広帯域アダプティブアレーにおける受信信号ベクトル￣ｒ（ｎ）は

で与えられる。ここで、Ｗｐ，０とＷｐ，１は

で定義される（Ｍ＋Ｋ）×（Ｍ＋Ｋ）の行列である。

サイクリックプリフィックス除去後のＭ×１の受信信号ブロックは、

と与えられる。ここで、Ｎ−１≦Ｋを満たすとすると、ＲｃｐＷｐ，１＝０であり、Ｌ＋Ｎ−２≦Ｋのもとで、ＲｃｐＷｐ，０Ｈｐ，１＝０である。よって、（４３）式の受信信号ｒ（ｎ）は

と表せる。

周波数領域等化（ＦＤＥ）を行った際の出力となる周波数領域の信号は周波数領域の送信信号ｄ（ｎ）の推定結果となっており、

と推定される。ここで、

と定義すると、ＲｃｐＨｗＴｃｐは巡回行列であることから、

と対角化できる。（４５）式におけるΓはΛＷ^−１で与えられる。

ＦＤＥ後の受信ブロックは、

となる。ただし、

である。

ここでは、ＦＤＥ出力の雑音電力、および、干渉信号の電力の両方を最小化するタップ重みを使用する。まず、ＦＤＥ出力の雑音電力を最小にするような広帯域アレーのウエイトについて説明する。まず、（４８）式の右辺第２項の雑音電力に係る項Λ_Ｗ ^−１ＤＲ_ｃｐＮ_Ｗ（ｎ）をタップ重みで微分する際に取り扱いやすい形にする。雑音電力Ｐ_ｎは

と表せる。

Ｎ_Ｗ（ｎ）の相関行列は、付加雑音の白色性から

となる。（５１）式は

と書き直せる。ここで、Ｗｐは、

であり、

である。

ＤＦＴ行列のｋ行ｍ列の要素｛Ｄ｝ｋｍをｄｋ，ｍと定義すると、ΛＷ^−１ＤＷｐのｋ行目の非ゼロ成分は、テプリッツ行列の性質を利用することにより、下記のように計算できる。

よって、

と定義することで、雑音電力は

と表せる。

ここで、ｗはアンテナ１〜Ｐの受信信号にかかるフィルタ係数ベクトル全てを結合させたＰＮ×１の集合フィルタ係数ベクトルであり、ΦｋはＤｋ^ＨＤｋをＰ個対角に並べたブロック対角行列であり、以下のＰＮ×ＰＮ行列で表せる。従来方法で用いたｗは各アンテナに一つの係数しか決めていなかったため、Ｐ×１のベクトルであったのに対し、ここでは、ＰＮ×１であることに注意する。

次に、λｋを集合フィルタ係数ベクトルｗを用いて表現することについて説明する。（４６）式のチャネルインパルス応答に注目すると、

と表記できる。ここで、テプリッツ行列の性質から、

ここで、Ｈｐは（Ｎ＋Ｌ−１）×Ｎの巡回行列、￣ＨはＨｐ〜Ｈｐからなる行列であり、

と定義される。［λＷ，１．．．λＷ，Ｍ］は伝搬環境および図２に示すアナログフィルタ部３を含めた通信路の周波数応答であり、

である。

よって、

となる。ただし、ｄｋ＝［ｄｋ，１，．．．ｄｋ，Ｎ＋Ｌ−１］^Ｔである。これより、雑音電力Ｐｎは

と表せる。

次に、干渉電力の抑圧について説明する。干渉信号は、干渉信号と希望信号の同期が完全にとれていれば、ＦＤＥにおける信号処理で分離可能である。本発明は、干渉信号が非同期で受信されており、ＦＤＥにおける線形の受信ウエイト演算では、分離できない場合に特に効果が期待できる。干渉波のインパルス応答長をＲ、ｐ番目の受信アンテナ素子における通信路のインパルス応答ベクトルを［ｋｐ，１，ｋｐ，２，．．．，ｋｐ，Ｒ］^Ｔとし、希望信号に対し定義されたＨｐ，０とＨｐ，１に対応するものとして、干渉信号に対しＫｐ，０とＫｐ，１をそれぞれ

で定義される（Ｍ＋Ｋ）×（Ｍ＋Ｋ）の行列とする。

（３７）式における干渉信号に対応する受信信号￣ｒ１，ｐ（ｎ）はＫｐ，０とＫｐ，１および干渉ブロック信号￣ｉ（ｎ）を用いて、

と書ける。ただし、￣ｉ（ｎ）は希望信号に対するＤＦＴのタイミングと同期していない。Ｒ＋Ｎ−２≦Ｋを仮定するとＷｐ，０Ｋｐ，１＝０となることから、広帯域アレー出力で干渉信号成分をゼロにするための条件は

と与えられる。

ここで

と定義すると、上記の条件は、

と表せる。

よって、広帯域アレーにおいて、干渉信号を除去しつつ、雑音電力を最小にするフィルタ係数ベクトルは以下の最適化問題として定式化される。

この解を直接求めるのは困難であるが、干渉信号と雑音の影響のトレードオフを考慮するために制約条件を重み付きのコスト関数に組み込んだ次の制約無し最適化問題を考えることができる。

ここで、γは雑音電力と干渉電力の重みを決定するパラメータである。この問題に対し、最急降下法を適用することにより局所最適解を導出し、これをウエイトとする。具体的なタップの更新式は、μをステップサイズパラメータとして，ｊ回目のイタレーション後のタップ重みをｗ（ｊ）と定義すると

で与えられる。ここで、

である。

フィルタベクトル設定回路１０は、チャネル推定回路９が取得した希望信号を送信している送信アンテナと、各受信アンテナ間のチャネルのインパルス応答を用いて（７６）式、（７７）式の計算を行い、フィルタ係数を算出する。アナログフィルタ３−１〜３−Ｐは、フィルタベクトル設定回路１０により算出されたフィルタ係数を用いて、受信信号の重みづけ処理を行う。

次に、図３を参照して、図１に示す受信装置の変形例の構成を説明する。図３は、図１に示す受信装置の変形例の構成を示すブロック図である。この図において、図１に示す装置と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。この図に示す装置が図１に示す装置と異なる点は、分配器２−１〜２−Ｐを設け、複数系統のアナログフィルタ部３１〜３Ｑ、アナログフィルタ部３１〜３Ｑと同数の接合器４−１〜４−Ｑ及び受信装置５−１〜５−Ｑが設けられている点である。図３に示すｉ番目のアナログフィルタ部３ｉに用いるフィルタ係数は、アナログフィルタ３ｉ−１〜３ｉ−Ｐを構成する各Ｎ個の乗算素子のフィルタ係数ベクトル全てを結合させたＰＮ×１の集合フィルタ係数ベクトルとして、前述した処理動作と同様に決定される。ただし、Ｑ個のアナログフィルタ部３１〜３Ｑに同様にチャネル情報を用いてフィルタ係数ベクトルを決定すると、全て同じフィルタ係数ベクトルに決定されてしまうため、用いるフィルタ係数がそれぞれ独立となるように制御を加える必要がある。

アナログフィルタ部３ｉ（１≦ｉ≦Ｑ）におけるフィルタ係数ベクトルをｗ’ｉとすると、（７６）式、（７７）式の演算により、ｗ’１〜ｗ’Ｑを決定できるが（ｗ’ｉはＮＰ×１のベクトル）、このままでは同じ係数となってしまう。ここでは、複数の送信アンテナからの信号を受信することを考える。チャネル推定回路９は各送信アンテナに対応するチャネル情報（インパルス応答）を、受信処理を行う前に予め取得する。例えば、１〜Ｐのうちいずれか一つのアンテナからのみ信号が受信装置に取得できるようにフィルタ係数を設定し、通信相手から送信される既知信号ｓ（ｎ）を取得することによりチャネル情報を推定し、これをすべてのアンテナについて行うことにより、全アンテナに対応するチャネル情報を推定し、記憶しておく。この際に、複数の送信アンテナに対応する複数のチャネル情報を取得する。どの送信アンテナに対するチャネル情報であったかについては、受信した信号の時間的な位置、復号したデータの中に含まれる送信局の情報や、アンテナ情報から判断することができる。

すなわち、チャネル情報￣Ｈは、複数の送信アンテナに対し推定され、送信アンテナがＺ本あったとすると、チャネル情報￣Ｈ１〜￣Ｈｚが推定される。よって、これに対応するＡｋもα番目の送信アンテナに対し、

と表せる。

よって、広帯域アレーにおいて、α番目の送信アンテナに対し、干渉信号を除去しつつ、雑音電力を最小にするフィルタ係数ベクトルは以下の最適化問題として定式化される。

または、μをステップサイズパラメータとして，ｊ回目のイタレーション後のタップ重みをｗ（ｊ）と定義し、

で与えられる。ここで、

である。

ここで、Ｑ＜Ｚの場合には、送信アンテナのうちＱ個を選択し、フィルタ係数を演算し、Ｑ＝Ｚの場合は、各送信アンテナに対し最適化したフィルタ係数を用いて受信装置５−１〜５−Ｑに出力し、Ｑ＞Ｚの場合には、受信装置５−１〜５−Ｑのうち複数の受信装置が同一の送信アンテナに対応し、フィルタ係数を演算する。このようにすると、いくつかの受信ウエイトが同一のフィルタ係数に収束するが、以下の方法を用いることにより解決できる。

得られたフィルタ係数ベクトルｗ１〜ｗＱに対し、

として、４−ｉのアナログフィルタ部において４−１〜４−（ｉ−１）のアナログフィルタと直交するように設定する（直交化法）ことで、互いに独立になるようにフィルタ係数を決定できる。(８４)式は直交化法の一例であり、グラム・シュミットの直交化法や、ＱＲ分解、ハウスホルダー変換等を用いることもできる。ここでμｗを１とすれば、完全に直交する条件となり、０＜μｗ＜１とすれば、直交条件を緩めることができ、完全な直交性は得られないが、信号電力が著しく低下することを防ぐことができる。このようにすることで、送信アンテナが１である場合、または、送信アンテナ数が受信側に置いて分からない場合にも、Ｑ個のアナログフィルタ部から独立の受信信号を得ることができる。Ｑ個の受信信号を得ることで、復号回路７においてＭＩＭＯ通信による受信信号の復号を可能にすることができる。なお、直交化法として、（８４）式を用いる方法に加えて、他の公知の方法を用いるようにしてもよい。

次に、前述したフィルタ係数の算出方法の有効性を確認するために計算機シミュレーションを行った結果について説明する。図３および図４は有効性を確認するために計算機シミュレーションを行った結果を示す図である。変復調方式としてＱＰＳＫ同期検波を用い、ＤＦＴ長を６４（Ｍ＝６４）、サイクリックプリフィックスを１６（Ｋ＝１６）とした。伝搬チャネルとして、所望波のインパルス応答長を３（Ｌ＝３）、干渉波のインパルス応答長を２（Ｒ＝２）、コスト関数の重みγを１０^３、ステップサイズμを１０^−５とした。希望波及び干渉波の通信路応答のパス数３及び２は、サイクリックプリフィックス内でランダムに決定した。また、各パスは独立なレイリーフェージングを受けるものとした。前述したフィルタ係数の算出方法の特性を１０００個の独立な通信路応答の実現値に対する平均のビット誤り率（Bit Error Rate，ＢＥＲ）により評価した。比較のため、ＭＭＳＥ基準のＰｏｓｔ−ＦＦＴ型アダプティブアレーを用いたときの特性も示す。

ＰｏｓｔＦＦＴ型のアダプティブアレーでは、受信装置をアンテナ数設置し、全アンテナからの受信信号を信号処理するため、信号処理量および回路コストは本発明の構成より著しく大きい。ただし、Ｐｏｓｔ−ＦＦＴ型アダプティブアレーでは非同期の干渉があるときにはＭＭＳＥ基準のウエイトを決定することが困難であるため、この場合は干渉信号がないものとしたときのウエイトを用いる。

図４および５はそれぞれ希望信号と干渉信号の受信電力の比（ＳＩＲ）を１０ｄＢとし、受信アンテナ素子数を５でとした際の、ＯＦＤＭ伝送および、シングルキャリアブロック伝送の誤り率（ＢＥＲ）特性を示している。いずれの図においてもＰｏｓｔ−ＦＦＴ型アレーが最も良好な特性となっている。これはＰｏｓｔＦＦＴ型アレーでは、５つのアレーの下にそれぞれアナログ・デジタル変換器を含む受信装置を用いており、デジタル信号処理で信号電力を高めることができるためである。前述した構成では、アナログ・デジタル変換器を含む受信装置は１つでよい。受信装置を１／５に低減しているにもかかわらず、ＰｏｓｔＦＦＴ型アレーに漸近する特性を持っていることが確認できる。

図４におけるＯＦＤＭ方式を用いた場合では、ＢＥＲ１０^−３において、タップ数を５（Ｎ＝５）とした構成はＰｏｓｔＦＦＴ型アレーに対し、０．６ｄＢの特性劣化しかなく、非常にコストパフォーマンスの高い受信装置を実現していることが確認できる。また、図５におけるシングルキャリア伝送に対する特性では、ＢＥＲ１０^−３において１．４ｄＢの劣化となっており、ＯＦＤＭ方式に比べやや劣化が大きいものの、受信装置を１／５にできることに対し、特性劣化は非常に小さいことが分かる。更に、いずれの場合でも、タップ数を１（Ｎ＝１）とした場合から、タップ数を増やした場合（Ｎ＝３）に著しくＢＥＲ特性を改善しており、広帯域アレー構成が非常に有効であることが分かる。

以上説明したように、複数の受信アンテナのそれぞれに接続された複数のアナログフィルタのフィルタ係数を制御することにより、希望波の信号品質を改善するためのアンテナ指向性制御を行う際に、複数段の遅延素子を備えるアナログフィルタを用いることによって、選択性フェージングによる信号歪を補償する一方、各遅延素子からの出力に対するフィルタ係数の算出において、雑音電力と干渉波の両方を抑制するように制御するようにした。具体的には、（７６）、（７７）式の計算を行うことによりフィルタ係数を求めるようにした。なお、（７６）、（７７）式は、雑音電力を最小化すること（最適化問題）を拘束条件の下で、最急降下法により解を導くことにより得るようにしている。この際に、雑音電力と干渉波のどちらに重きを置くかを調整するためのパラメータγを設けた。

従来からアンテナの指向性を制御する技術として、アナログフィルタのフィルタ係数を制御する技術があるが、従来方法では、雑音電力を最小化する手法に着目した制御がなされており、干渉波がある場合に最適な制御となっていないという問題があり、また、広帯域信号を処理する場合に、選択性フェージングにより品質が劣化するという問題がある。前述したような構成とすることで、雑音電力と干渉波の同時に最小化するためのフィルタ係数の算出が可能となり、このフィルタ係数を用いた受信により、干渉波のある環境下でも所望信号の通信品質を改善することが可能となる。

なお、図１における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより無線信号の受信処理（フィルタ係数の算出処理）を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

希望信号のほかに非同期の干渉信号が到来する環境に置いて、広帯域アレーを用いてアナログ・デジタル変換装置を減らしつつ高い伝送品質を得る通信システムを実現することができる。

１−１〜１−Ｐ・・・アンテナ、２−１〜２−Ｐ・・・分配器、３、３１、３２、３Ｑ・・・アナログフィルタ部、３−１、３−２、３−Ｐ、３１−１〜Ｐ、３２−１〜Ｐ、３Ｑ−１〜Ｐ・・・アナログフィルタ、４、４−１、４−２、４−Ｑ・・・結合器、５、５−１、５−２、５−Ｑ・・・受信装置、６・・・信号検出回路、７・・・復号回路、９・・・チャネル推定回路、１０・・・フィルタ係数設定回路

Claims (6)

1. 複数の受信アンテナのそれぞれに、複数の遅延素子とフィルタ係数を乗算する複数の乗算素子を有するアナログフィルタを接続され、前記アナログフィルタのフィルタ係数を制御することにより、希望波の信号品質を改善する無線信号の受信装置における受信方法であって、
   希望信号を送信するアンテナと前記受信アンテナとの間のインパルス応答を受信処理前に推定するチャネル推定ステップと、
   前記推定されたインパルス応答を用いて、複数のアナログフィルタの、複数のフィルタ係数からなるフィルタ係数ベクトルを算出するフィルタベクトル推定ステップと、
   前記算出されたフィルタ係数ベクトルにより、前記受信アンテナのそれぞれから入力された受信信号に重みづけ処理を行う重みづけステップとを有し、
   前記フィルタベクトル推定ステップは、離散フーリエ行列Ｄのｋ番目の行ベクトルｄｋの巡回行列Ｄｋを用いた相関行列Ｄｋ^ＨＤｋを対角に並べたブロック対角行列Φｋ、希望信号のインパルス応答行列￣Ｈ（￣はＨの頭に付く）、干渉信号のインパルス応答行列￣Ｋ（￣はＫの頭に付く）、離散フーリエ変換処理のポイント数Ｍを用いて表せる
   

   

   を、
   

   

   の条件下で最小化することによりフィルタ係数ベクトルｗを算出することを特徴とする受信方法。
2. 複数の受信アンテナのそれぞれに、複数の遅延素子とフィルタ係数を乗算する複数の乗算素子を有するアナログフィルタを接続され、前記アナログフィルタのフィルタ係数を制御することにより、希望波の信号品質を改善する無線信号の受信装置における受信方法であって、
   希望信号を送信する複数のアンテナと前記受信アンテナとの間のインパルス応答￣Ｈ１〜￣ＨＺ（￣はＨの頭に付く）を受信処理前に推定するチャネル推定ステップと、
   前記推定されたインパルス応答を用いて、複数のアナログフィルタの、複数のフィルタ係数からなるフィルタ係数ベクトルを算出するフィルタベクトル推定ステップと、
   前記算出されたフィルタ係数により、前記受信アンテナのそれぞれから入力された受信信号に重みづけ処理を行う重みづけステップとを有し、
   前記フィルタベクトル推定ステップは、α番目の送信アンテナに対し、離散フーリエ行列Ｄのｋ番目の行ベクトルｄｋの巡回行列Ｄｋを用いた相関行列Ｄｋ^ＨＤｋを対角に並べたブロック対角行列Φｋ、干渉信号のインパルス応答行列￣Ｋ（￣はＫの頭に付く）、離散フーリエ変換処理のポイント数Ｍを用いて表せる
   

   

   を、
   

   

   の条件下で最小化することにより、フィルタ係数ベクトルｗをα番目の送信アンテナに対するフィルタ係数ベクトルｗ_αとして算出することを特徴とする受信方法。
3. 前記フィルタベクトル推定ステップは、フィルタ係数ベクトルｗ、離散フーリエ行列Ｄのｋ番目の行ベクトルｄｋの巡回行列Ｄｋを用いた相関行列Ｄｋ^ＨＤｋを対角に並べたブロック対角行列Φｋ、インパルス応答行列￣Ｈ（￣はＨの頭に付く）、干渉信号のインパルス応答行列￣Ｋ（￣はＫの頭に付く）、雑音電力と干渉電力の重みを決定するパラメータγ、離散フーリエ変換処理のポイント数Ｍを用いて、μをステップサイズパラメータとして、逐次的にウエイトを演算し、α番目の送信アンテナに対するｊ＋１回目の逐次演算後のフィルタ係数ベクトルｗα（ｊ＋１）を
   

   

   として算出することを特徴とする請求項１または２に記載の受信方法。
4. 得られたフィルタ係数ｗ１〜ｗＱに対し、直交化法を用い、ｉ番目のフィルタ係数ベクトルｗ_ｉに対し、１〜（ｉ−１）番目のフィルタ係数ベクトルｗ_１〜ｗ_{（ｉ−１）}に対する直交条件を付加することで、複数の受信装置に対する出力をそれぞれ相関の低い受信信号とすることを特徴とする請求項２または３記載の受信方法。
5. 複数の受信アンテナのそれぞれに、複数の遅延素子とフィルタ係数を乗算する複数の乗算素子を有するアナログフィルタを接続され、前記アナログフィルタのフィルタ係数を制御することにより、希望波の信号品質を改善する無線信号の受信装置であって、
   希望信号を送信するアンテナと前記受信アンテナとの間のインパルス応答を受信処理前に推定するチャネル推定手段と、
   前記推定されたインパルス応答を用いて、複数のアナログフィルタの、複数のフィルタ係数からなるフィルタ係数ベクトルを算出するフィルタベクトル推定手段と、
   前記算出されたフィルタ係数により、前記受信アンテナのそれぞれから入力された受信信号に重みづけ処理を行う重みづけ手段とを備え、
   前記フィルタベクトル推定手段は、離散フーリエ行列Ｄのｋ番目の行ベクトルｄｋの巡回行列Ｄｋを用いた相関行列Ｄｋ^ＨＤｋを対角に並べたブロック対角行列Φｋ、希望信号のインパルス応答行列￣Ｈ（￣はＨの頭に付く）、干渉信号のインパルス応答行列￣Ｋ（￣はＫの頭に付く）、離散フーリエ変換処理のポイント数Ｍを用いて表せる
   

   

   を、
   

   

   の条件下で最小化することによりフィルタ係数ベクトルｗを算出することを特徴とする受信装置。
6. 複数の受信アンテナのそれぞれに、複数の遅延素子とフィルタ係数を乗算する複数の乗算素子を有するアナログフィルタを接続され、前記アナログフィルタのフィルタ係数を制御することにより、希望波の信号品質を改善する無線信号の受信装置であって、
   希望信号を送信する複数のアンテナと前記受信アンテナとの間のインパルス応答￣Ｈ１〜￣Ｈ２（￣はＨの頭に付く）を受信処理前に推定するチャネル推定手段と、
   前記推定されたインパルス応答を用いて、複数のアナログフィルタの、複数のフィルタ係数からなるフィルタ係数ベクトルを算出するフィルタベクトル推定手段と、
   前記算出されたフィルタ係数により、前記受信アンテナのそれぞれから入力された受信信号に重みづけ処理を行う重みづけ手段とを備え、
   前記フィルタベクトル推定手段は、α番目の送信アンテナに対し、離散フーリエ行列Ｄのｋ番目の行ベクトルｄｋの巡回行列Ｄｋを用いた相関行列Ｄｋ^ＨＤｋを対角に並べたブロック対角行列Φｋ、干渉信号のインパルス応答行列￣Ｋ（￣はＫの頭に付く）、離散フーリエ変換処理のポイント数Ｍを用いて表せる
   

   

   を、
   

   

   の条件下で最小化することによりフィルタ係数ベクトルｗをα番目の送信アンテナに対するフィルタ係数ベクトルｗ_αとして算出することを特徴とする受信装置。

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