JP2002077009A - アダプティブ・アレイを用いたcdma受信装置 - Google Patents
アダプティブ・アレイを用いたcdma受信装置Info
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Abstract
装置にも適用可能な、アダプティブ・アレイ・アンテナ
を用いたCDMA受信装置を提供すること。 【解決手段】 アダプティブ・アレイ・アンテナの重み
付けを決定するための参照信号d(t)として、各RA
KEブランチ14の逆拡散タイミングτ1〜τ4で遅延
させた希望移動局などに対応する符号にて再拡散した信
号を、重み付け合成して用いる。これにより、CDMA
を用いたセル方式移動体通信の基地局等において、CD
MA受信機固有の処理と、アダプティブ・アレイ・アン
テナ特有の処理を、分離して行える様にした。
Description
レイを用いたCDMA受信装置に係り、特にアダプティ
ブ・アレイ特性を固定指向性のCDMA受信装置に付加
するCDMA受信装置に関する。
周波数の半波長ごとにアレイ状に配置して、各送信機か
ら各々のアンテナ・エレメントに給電する信号の振幅と
位相を独立して制御することにより、特定の方向に対し
て電波を強く放射するビームを形成したり、また特定の
方向に対してほとんど電波を放射しないヌルを形成した
りすることが出来る。このアレイ・アンテナは、同様に
各アンテナ・エレメントを、独立して振幅および位相を
制御できる各々の受信機に接続することにより、アンテ
ナのビーム方向、ヌル方向など、受信指向性も同様に制
御できる。
ivision Multiple Access:符号分割多元接続)を用い
たセル方式移動体通信の基地局に用い、各移動局との通
信にそれぞれ直交した符号を使用したり、相互に相関の
ない符号を使用することにより、同一周波数帯を用いて
も各々の通信を同時に独立して確立することが出来る。
さらに、各々の移動局の方向に対してビームを向けた
り、ヌルを向けたりすることが可能となり、移動局との
通信相互の干渉をよりいっそう低減でき、1基地局に収
容できる通信容量を飛躍的に増加させることができる。
動局方向にビームを形成したり、干渉となる移動局方向
にヌルを自動的に向けるアルゴリズムに関しては、これ
を用いたアンテナがアダプティブ・アレイ・アンテナと
呼ばれ、種々のアルゴリズムが提案され、研究開発され
ている。例えば、菊間信良著「アレーアンテナによる適
応信号処理」科学技術出版(1998)、によれば、最
小2乗誤差法(MMSE:Minimum Mean Square Erro
r)、最大SNR法(MSN:Maximum Signal-to-noise
ratio)、拘束付出力電力最小化法(CMP:Constrai
ned Minimizationof Power)、定包絡線信号用アルゴリ
ズム(CMA:Constant Modulus Algorithm)などがあ
る。CMPには拘束条件により、方向拘束付出力電力最
小化法(DCMP:Directional‐CMP)、パワーイ
ンバージョン法(PI:Power Inversion)があり、そ
れぞれ特徴を持っている。
包絡の変調波と限らず、その到来方向が未定で、かつ希
望波と干渉波の電力に特定の大小関係がないため、一般
的にMMSEが用いられる。特にMMSEの中の最急降
下法に基づくLMS(LeastMean Square)アルゴリズム
が、簡易な構成でアダプティブ・アレイが実現できるた
め、用いられる場合が多い([参考文献1]S.Tanaka,
M.Sawahashi,F.Adachi,「Pilot Symbol-Assisted Decis
ion‐Directed Coherent Adaptive Array Diversity fo
r DS‐CDMA Mobile Radio Reverse Link」ICICE Trans.
Fundamentals,Vol.E80-A,No.12,pp.2445-2454,1997‐1
2)。
ナエレメントの信号を位相および振幅重み付けして合成
した信号と、所望の参照信号との誤差を最小化する最急
降下法に基づくアルゴリズムにて実現できる。従って、
LMSアルゴリズムにてビーム形成、ヌル生成するため
には所望の参照信号が必要となる。
通信においては、パイロット・シンボルと呼ばれる既知
の信号を、データに挟み込んだり、あるいはデータと並
行して通信信号を形成して送信されるため、受信した通
信信号からそのパイロット・シンボルを検出し、複数の
既知のパイロット・シンボルからそのパイロット・シン
ボルを選択して参照信号として用いることができる。ま
た、このパイロット・シンボルを基にして、受信した通
信信号を復調し、この復調した信号、もしくは誤り訂正
を行った後の信号を参照信号として用いてもよい。
方式移動体通信においては、RAKE受信機が用いられ
る。図2は、基地局に設けられるRAKE受信機の構成
を示す図である。なお、RAKEは、「くまで」の意味
で、拡散され、散乱されて届いた受信信号電力をかき集
めるところから名付けられている。
1−FとRF受信機12−Fで受信した移動局からの信
号は、RAKEブランチ14に入力される。RAKEブ
ランチ14は、拡散されている信号を時間を合わせて圧
縮、すなわち逆拡散させるマッチトフィルタ(MF)1
4−1と、このMF14−1で逆拡散された信号の遅延
位相を推定するチャネル推定器14−2と、MF14−
1とチャネル推定器14−2の出力を乗算する乗算器1
4−3から構成される。このRAKEブランチ14は、
移動局からの信号の予想される経路数L(パス数)に応
じてL組用意され、それらの逆拡散され、遅延位相が合
わされた出力が合成器15で合成されて、復調器へ送ら
れて、移動局からの信号に復調される。
いた場合、移動局から発せられた信号は、ビル等の周囲
の構造物からの反射により複数の伝搬経路(パス)を経
由して基地局の固定指向性アンテナ11−Fに到達する
が、各々の伝搬経路の伝搬路長の差により遅延時間の異
なる信号の重ね合わせとして受信される。この複数伝搬
経路に起因する遅延差のある信号をCDMAの特有技術
である符号相関を取ることにより、各パスの信号に分離
した上で、遅延時間差を補正して合成している。このよ
うに、単一のパスからの信号に存在するフェ一ジング
を、複数パスの信号を合成することにより平滑化し、安
定した伝搬を常時確保できる。
とRAKE受信機を同時に実装し、各パス毎にアダプテ
ィプ・アレイ動作をさせて、同一移動局からの信号で
も、それぞれのパスに注目して到来方向にビームを向け
ビーム合成した後、この信号をそれぞれRAKE受信機
に入力する方法が、アダプティブ・アレイを用いたCD
MA受信装置として、図3に示されるように、知られて
いる。
−1〜31−4で受信された信号は、それぞれの移動局
に対応する符号をもつマッチトフィルタ(MF)32−
1〜32−4により、希望移動局の信号として選択され
る。このMF32−1〜32−4は、スペクトル拡散技
術における逆拡散に対応し、特定符号にて拡散された希
望移動局からの広帯域信号を元のシンボル速度(情報帯
城幅)に変換する。
のRAKEブランチ34の枝数Lに対応するL個に分岐
され、L組のビームフォーマ33に入力される。
33−11〜33−14、合成器33−2,重み付け制
御回路33−3,加算器33−4,乗算器33−5から
構成されている。そして、逆拡散された各アンテナ・エ
レメントからの信号に対して、参照信号、各アンテナ・
エレメントからの信号及び自己の合成出力信号を基に、
MMSEを用いた重み付け制御回路33−3にて、振幅
および位相共に重み付けして合成され、ビーム・フォー
ミングされて、L組のRAKEブランチ34に入力され
る。
号に含まれるパイロット・シンボルを基にしてチャネル
推定器34−1でチャネル推定され(例、PSA chann
el estimator)、L個のマルチパスに対応する信号が、
その信号の強度に応じて重み付けされ、合成器35で同
相で合成される。
もに、シンボル仮判定器36に入力され、受信したデ一
夕が仮判定される。このシンボル仮判定器36で、仮判
定データと既知のパイロット・シンボルを基に参照信号
が生成される。この参照信号が、電力分配器37で電力
配分がなされた後、L組のビームフォーマ33に供給さ
れる。そして、ビームフォーマ33で、参照信号、チャ
ネル推定器の出力、ビームフォーマの出力結果とから誤
差信号を得て、MMSE を用いた重み付け制御回路3
3に入力され、指向性が逐次更新される。
らの信号も、伝搬路の差に基づく遅延差により別信号と
見なされ、L個の異なるユニットにて、異なるパスの信
号は相互に干渉波と見なされ、消去する様動作する。す
なわち、マルチパス信号の到来方向に対して、マルチパ
ス相互でヌルを形成する様な指向性を形成しようとす
る。
くは移動体近傍の反射物からの反射信号であるため、基
地局から見た時、その到来方向が著しく離れた方向から
到来することはまれで、ほぼ同一方向からの到来波とな
り、希望波とその異なる伝搬路からの信号(マルチパス
信号)を指向性を利用して分離しようとしても角度差が
小さいため分離が難しく、ビームフォーマの動作が不安
定となる問題があった。
体の移動に伴い逐次変化しており、RAKE受信に選択
されるパス(信号電力の大きな数パス)は常に更新され
る。その更新の都度、到来方向が未定と考えれば、アダ
プティブ・アレイ動作を初期化して開始し、実際運用
上、アダプティブ・アレイの指向性が常に十分収束しな
い状態で運用されることとなり、固定したパスが無い限
り、十分な結果が得られない問題があった。
の複数のパスはほぼ同一方向にある場合が多い特性を積
極的に利用して、同一移動局からの複数のパスのうちR
AKEブランチに選択された数パスに対して、同一の指
向性を持たせる様にアダプティブ・アレイ動作させるこ
とが知られている。([参考文献2]中南、井原、田
中、佐和橋、「W‐CDMA 上りリンクにおけるパス
共通受信アンテナウエイトを生成する適応アンテナアレ
イダイバーシティ受信の室内実験特性」、信学技報RCS2
000‐46(2000‐06))。
路構成に対して、同一の重み付け制御回路47で、複数
L個のビームフォーマ33を動作させるように構成され
る。このため、図3と比較して、電力分配器が不要なこ
と、重み付け制御回路が単一でよいこと、その他加算器
や乗算器の配置構成などが代わってはいるが、その他の
点は図3と同様であるので、再度の説明は省略する。
に利用されるパスが変更されても一々初期化してアダプ
ティブ・アレイ動作を開始する必要がなく、運用上安定
した指向性が得られる利点がある。
示したアダプティブ・アレイを用いたCDMA受信装置
においては、各アンテナ・エレメントからの信号は各移
動局の符号に対応するマッチトフィルタ(MF)を通っ
た逆拡散後の信号を用いている。このように、逆拡散、
RAKE受信と言ったCDMA受信機特有の処理がアダ
プティプアレイの機能回路と絡み合った構成となってい
るから、アダプティブ・アレイ・アンテナとCDMA受
信機を分離して実現することが難しいという問題を持っ
ていた。
定指向性のアンテナを用いた、CDMAセル方式移動体
通信基地局にアダプティブ・アレイ・アンテナを導入す
る際、逆拡散回路(MF)を含むRAKE受信機の構成
そのものを変更しなければならず、実際には、CDMA
基地局としての主要部分の交換無くしてはアダプティブ
・アレイ・アンテナの導入が難しいと言う問題点があっ
た。
を用いたCDMA受信装置にも適用可能な、アダプティ
ブ・アレイ・アンテナを用いたCDMA受信装置を提供
することを目的とする。
ィブ・アレイを用いたCDMA受信装置は、複数のアレ
イ・アンテナ・エレメント11−1〜11−nからの受
信信号と、入力される制御信号e(t)とに基づいて、
前記受信信号をそれぞれ振幅及び位相に重み付けして合
成し、ビームを形成するビームフォーマ13と、このビ
ームフォーマの出力信号y(t)が入力され、それぞれ
マッチトフィルタ(MF)を有し、逆拡散してRAKE
受信を行う複数L個のRAKEブランチ14と、この複
数L個のRAKEブランチの出力信号を、その信号強度
に応じて重み付け合成し、出力する合成手段15と、こ
の合成手段の出力O(t)に基づいて得たデータ判定さ
れた信号あるいは既知のパイロット信号に対して、前記
各マッチトフィルタ(MF)における拡散符号タイミン
グ(τ1〜τ4)で対応する符号にて再拡散し、この再
拡散された信号を重み付け合成して、参照信号d(t)
を得るレプリカ発生器16と、このレプリカ発生器から
の参照信号d(t)と前記ビームフォーマの出力信号y
(t)との差e(t)を取って、前記ビームフォーマへ
の前記制御信号として供給する減算手段と、を有するこ
とを特徴とする。
いたCDMA受信装置は、請求項1記載のアダプティブ
・アレイを用いたCDMA受信装置において、前記参照
信号e(t)を形成する際の、各再拡散された信号の重
み付け比率は、前記複数L個のRAKEブランチ14の
出力信号強度の比率に基づいて決定されていることを特
徴とする。
アンテナの重み付けを決定するための参照信号として、
各RAKEブランチの逆拡散タイミングで遅延させた希
望移動局などに対応する符号にて再拡散した信号を、重
み付け合成して用いるから、既設の固定指向性を持つC
DMA基地局にアダプティブ・アレイ・アンテナを付加
して、アダプティブ・アレイ・アンテナを用いたCDM
A基地局を容易に構成することが出来る。
地局を、アダプティブ・アレイ・アンテナを用いたCD
MA受信装置を持つ基地局に、装置構成の変更・更新を
極力減らして、改変することが出来る。
各再拡散された信号の重み付け比率は、既設の各RAK
Eブランチ14の出力信号強度の比率から得られるか
ら、格別の新たな負担なく、それぞれのパスを通過する
信号に応じて重み付けしたアンテナ指向性を最適に決定
することが出来る。
方式移動体通信の基地局等において、CDMA受信機固
有の処理と、アダプティブ・アレイ・アンテナ特有の処
理を、分離して行える様にしたアダプティブ・アレイを
用いたCDMA受信装置であり、若干の相互の信号交換
のみで、アダプティブ・アレイ・アンテナ部とCDMA
受信部を分離実現することができる。これにより、既設
の固定指向性アンテナを有するCDMA基地局の無線設
備を極力生かして、アダプティプアレイ・アンテナの追
加設置を可能とし、基地局のアダプティプアレイ・アン
テナによる性能向上に対するコストを、大幅に削減す
る。
いたCDMA受信装置の構成を示す図1を参照して、本
発明の実施の形態を詳細に説明する。
た部分が、既設の固定指向性アンテナを有するCDMA
基地局に設けられているCDMA受信装置であり、その
構成は図2に示したものと符号も含めて全く同じであ
る。
定指向性アンテナ11−F及びRF受信機12−Fと、
入力される拡散されている信号を時間を合わせて逆拡散
させるマッチトフィルタ(MF)14−1と逆拡散され
た信号の遅延位相を推定するチャネル推定器14−2
と、MF14−1とチャネル推定器14−2の出力を乗
算する乗算器14−3から構成され、移動局からの信号
の予想される経路数L(パス数)に応じてL組用意され
たRAKEブランチ14と、L組のRAKEブランチ1
4の出力を加算合成する合成器15とから構成されてい
る。
DMA受信装置に対して、アダプティブ・アレイ機能を
付加するために、固定指向性アンテナ11−FとRF受
信機12−Fを取り外し、図中Bで示す一点鎖線で囲ま
れた部分を、新たに追加する。
て、説明する。n個のアレイ・アンテナ・エレメント1
1−1〜11−n及びRF受信機12−1〜12−nで
受信した、移動体側からの拡散されている信号が、ビー
ムフォーマ13にそれぞれ供給される。
と、入力される制御信号e(t)とに基づいて、乗算器
13−1〜13−nで各受信信号をそれぞれ振幅及び位
相に重み付けし、合成器13−2で合成し、形成される
ビームを表す出力信号y(t)を発生して、既設のL組
のRAKEブランチ14に供給する。
5の出力O(t)に基づいて、データ判定された信号あ
るいは決定された既知のパイロット・シンボルを出力す
るシンボル仮判定器16−1と、所定の符号系列でシン
ボル仮判定器16−1の出力をそれぞれのタイミングτ
1〜τ4で再拡散するL組の拡散器16−21〜16−
24と、これら拡散器16−21〜16−24の出力信
号を重み付け合成し、参照信号d(t)として出力する
合成器16−3とを備えている。なお、この例では、L
は4としている。
らの参照信号d(t)とビームフォーマ13の出力信号
y(t)との差を取って、ビームフォーマ13の重み付
け制御回路13−3に制御信号e(t)として供給す
る。
DMA受信装置は、以上のように構成され、CDMA受
信機固有の処理を既設のRAKEブランチ14などで、
且つアダプティブ・アレイ・アンテナ特有の処理を追加
のビームフォーマ13やレプリカ発生器16等で、それ
ぞれの処理を分離して行うことが出来るようにしてい
る。
いたCDMA受信装置の全体としての動作を、順次説明
する。
n及びRF受信部12−1〜12−nで受信された各受
信信号は、移動局側で特定の符号系列で拡散された信号
であり、この各受信信号がビームフォーマ13に入力さ
れる。
信信号に対して乗算器13−1〜13−nで振幅及び位
相について重み付けがなされる。この重み付け値は、レ
プリカ発生器16からの参照信号d(t)と当該ビーム
フォーマの出力信号y(t)との誤差である制御信号e
(t)と、各受信信号に基づいてMMSEを用いた重み
付け制御回路13−3により演算され、乗算器13−1
〜13−nに供給される。乗算器13−1〜13−n
で、振幅及び位相について重み付けがなされた受信信号
は、合成器13−2で例えば最大比合成により合成さ
れ、ビームフォーマ13の出力信号y(t)となる。
は、レプリカ発生器16からの参照信号d(t)と差を
取るために減算器17に供給されるとともに、L組のR
AKEブランチ14に供給される。
4−1で移動局側において拡散に使用された特定の符号
系列で且つ受信信号の各パス遅延に応じたタイミングで
逆拡散され、データシンボル化される。このMF14−
1で逆拡散された信号の遅延位相をチャネル推定器14
−2で推定し、MF14−1とチャネル推定器14−2
の出力を乗算器14−3乗算し、それらの逆拡散され、
遅延位相が合わされた信号が合成器15においてそれぞ
れの信号強度に対応して最大比合成で合成されて出力信
号O(t)となり、復調器へ送られて、移動局からの信
号に復調される。
器16のシンボル仮判定器16−1に供給される。シン
ボル仮判定器16−1は、出力信号O(t)に基づいて
データ判定し、このデータ判定された信号あるいは複数
の既知のパイロット・シンボルから該当するパイロット
・シンボルを、参照信号とするべく出力する。
器16−21〜16−24にそれぞれ入力され、RAK
Eブランチ14のMF14−1で用いられた特定の符号
系列で且つ各パス遅延に応じたタイミングτ1〜τ4で
再拡散され、さらに加算器16−3で重み付け合成さ
れ、参照信号d(t)として出力される。
タイミングτ1〜τ4で再拡散することは、移動局から
の特定の符号で拡散された信号が各パスを通過して基地
局に到達するときに、この基地局に到達した拡散信号と
同一のタイミングで、パイロット・シンボルや、判定デ
ータから、この各パスで入力されるべき拡散信号を再構
成することを意味する。従って、参照信号d(t)は,
これら複数のパスを通った場合の推定拡散信号の遅延差
だけ相互にタイム・シフトした重み付け和となる。
〜τ4は、各パスに対して各RAKEブランチ14のM
F14−1にて逆拡散を行う際に符号発生のタイミング
を取るために必要な信号であるため、既設CDMA基地
局設備から容易に出力できる。
フォーマ13の出力信号y(t)の誤差e(t)を検出
して、重み付け制御回路13−3に出力され、MMSE
を用いたアダプティブ・アレイ・アンテナを構成す
る。
アンテナを有するCDMA受信装置に対して、アダプテ
ィブ・アレイ機能を付加するために、固定指向性アンテ
ナ11−FとRF受信機12−Fを取り外すこととして
説明した。しかし、固定指向性アンテナ11−FとRF
受信機12−Fを、取り外すことなく、設備したまま
で、図中Bで示す一点鎖線で囲まれた部分を新たに追加
するように構成することが出来る。この場合には、固定
指向性アンテナ11−FとRF受信機12−Fはからの
受信信号は、ビームフォーマ13から見ると、重み付け
制御がされない受信信号が存在することになるが、アレ
イ・アンテナ・エレメント11−1〜11−nの受信信
号を重み付け制御することでビームフォーミング制御が
可能である。
生器では、パイロット・シンボルの仮判定値を基にして
参照信号が生成されたが、データの誤り訂正後の判定デ
ータを用いても良い。この場合には、制御遅延が増加す
る短所はあるが、S/N比の悪い環境下でも動作可能と
なる。
16−21ないし16−24で再拡散された信号を重み
付け合成する際に、各パスにて伝送される信号強度に応
じて最大比合成となるように、重み付け合成すると良
い。この様に合成することにより、MMSEの場合、各
パスにて伝送される信号強度に応じて各パスに対応する
方向の指向性が重み付け形成できる。
イ・アンテナの重み付けを決定するための参照信号とし
て、RAKEブランチ14の逆拡散タイミングτ1〜τ
4で遅延させた希望移動局に対応する符号にて再拡散し
た信号を重み付け合成した信号を用いることにより、ア
ダプティブ・アレイ・アンテナを既設の固定指向性をも
つCDMA基地局に容易に付加することができ、アダプ
ティブ・アレイを用いたCDMA受信装置を構成するこ
とが出来る。
・アンテナの重み付けを決定するための参照信号とし
て、各RAKEブランチの逆拡散タイミングで遅延させ
た希望移動局などに対応する符号にて再拡散した信号
を、重み付け合成して用いるから、既設の固定指向性を
持つCDMA基地局にアダプティブ・アレイ・アンテナ
を付加して、アダプティブ・アレイ・アンテナを用いた
CDMA基地局を容易に構成することが出来る。
地局を、アダプティブ・アレイ・アンテナを用いたCD
MA受信装置を持つ基地局に、装置構成の変更・更新を
極力減らして、改変することが出来る。
各再拡散された信号の重み付け比率は、既設の各RAK
Eブランチ14の出力信号強度の比率から得られるか
ら、格別の新たな負担なく、それぞれのパスを通過する
信号に応じて重み付けしたアンテナ指向性を最適に決定
することが出来る。
A受信装置の構成図。
受信装置の構成図。
MA受信装置の構成図。
Claims (2)
- 【請求項1】 複数のアレイ・アンテナ・エレメントか
らの受信信号と、入力される制御信号とに基づいて、前
記受信信号をそれぞれ振幅及び位相に重み付けして合成
し、ビームを形成するビームフォーマと、 このビームフォーマの出力信号が入力され、それぞれマ
ッチトフィルタを有し、逆拡散してRAKE受信を行う
複数のRAKEブランチと、 この複数のRAKEブランチの出力信号を、その信号強
度に応じて重み付け合成し、出力する合成手段と、 この合成手段の出力に基づいて得たデータ判定された信
号あるいは既知のパイロット信号に対して、前記各マッ
チトフィルタにおける拡散符号タイミングで対応する符
号にて再拡散し、この再拡散された信号を重み付け合成
して、参照信号を得るレプリカ発生器と、 このレプリカ発生器からの参照信号と前記ビームフォー
マの出力信号との差を取って、前記ビームフォーマへの
前記制御信号として供給する減算手段と、 を有することを特徴とするアダプティブ・アレイを用い
たCDMA受信装置。 - 【請求項2】 請求項1記載のアダプティブ・アレイを
用いたCDMA受信装置において、 前記参照信号を形成する際の、各再拡散された信号の重
み付け比率は、前記複数のRAKEブランチの出力信号
強度の比率に基づいて決定されていることを特徴とする
アダプティブ・アレイを用いたCDMA受信装置。
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
JP2010133905A (ja) * | 2008-12-08 | 2010-06-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 無線装置及び電波到来方向推定方法 |
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JP2010133905A (ja) * | 2008-12-08 | 2010-06-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 無線装置及び電波到来方向推定方法 |
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