JP2004080191A - 重み推定方法並びに重み推定装置及びそれを備えた干渉除去装置と受信機 - Google Patents
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Abstract
【課題】統計的手法を用いることなくアダプティブアレーアンテナに対応する重みの計算を行い、計算量を低減することができる。
【解決手段】重み推定器１２０は、複素インパルス応答判定器１０１にて測定した複素インパルス応答１０２を用いて、自己相関行列計算器１２８により各端末の複素インパルス応答に基づいて自己相関行列１２７を計算し、相互相関ベクトル発生器１２３により希望端末、希望パスに関する相互相関ベクトル１２６を発生する。連立１次方程式計算器１２５により、希望端末、希望パスに関する重み１０４を計算する。指向性形成器１０３が、希望端末からのＳＩＮＲが最大となるように希望信号推定値３１５を出力する。
【選択図】 図１
【解決手段】重み推定器１２０は、複素インパルス応答判定器１０１にて測定した複素インパルス応答１０２を用いて、自己相関行列計算器１２８により各端末の複素インパルス応答に基づいて自己相関行列１２７を計算し、相互相関ベクトル発生器１２３により希望端末、希望パスに関する相互相関ベクトル１２６を発生する。連立１次方程式計算器１２５により、希望端末、希望パスに関する重み１０４を計算する。指向性形成器１０３が、希望端末からのＳＩＮＲが最大となるように希望信号推定値３１５を出力する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル無線通信システムに用いられるアダプティブアレーアンテナ方式の干渉除去装置に関するものであり、アダプティブアレーアンテナ方式におけるアンテナの重みを算出する重み推定方法並びに重み推定装置及びそれを備えた干渉除去装置と受信機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタル無線通信システムにおいて、周波数選択性フェージングを軽減し、干渉を低減する方式として、アレーアンテナの指向性を制御し、遅延波や干渉波を抑圧するアダプティブアレーアンテナ方式がある。アダプティブアレーアンテナを制御する方式として、“抑圧パイロット信号を用いたビームフォーミング法”電子情報通信学会論文誌Ｖｏｌ． Ｊ８１−Ｂ−１ Ｎｏ． １１ ｐｐ． ６６１（１９９８／１１発行）に示されるような方式（以下従来方式と呼ぶ）がある。この方式では、伝送信号の中に含まれているパイロット信号を用いて伝搬路のインパルス応答を測定し、これを基にしてアダプティブアレーアンテナの重みを計算し、その指向性を制御している。
【０００３】
従来方式の具体例を述べる。
図１２は従来方式の送信機である。ＱＰＳＫ信号発生器２０３ではデータを元にＱＰＳＫベースバンド信号を発生する。Ｗａｌｓｈ関数発生器２０４ではその端末に割り当てられたＷａｌｓｈ関数を発生する。乗算器２０５ではＷａｌｓｈ関数をＱＰＳＫ信号に乗算する事によってスペクトラムを拡散する。加算器２０６では一定値であり、十分に減衰されたパイロット信号を加算する。受信機は、このパイロット信号を用いて送信器との間の伝搬路のインパルス応答を推定する。擬似雑音系列発生器２０７では、その端末に割り当てられた擬似雑音系列を発生する。乗算器２０８では擬似雑音系列を乗算し、再度スペクトラム拡散を行う。乗算器２０８の出力信号は、図示していないが、Ｄ／Ａ変換、帯域制限、アップコンバート等の処理が施され送信される。
【０００４】
図１３は従来方式の受信機である。それぞれが前記送信機を持つ３個の端末３００〜３０２からの信号を、４本のアンテナ素子を持つアレーアンテナ３１１で受信している。受信した信号は、ＲＦ、ＩＦ、ダウンコンバート、ＬＰＦ、Ａ／Ｄ変換器等からなるダウンコンバート部３１２を経てデジタル複素ベースバンド信号３１３に変換され、干渉除去器３１４に入力される。干渉除去器３１４では、ある端末に対して、その端末からの希望する信号の電力と、それ以外の遅延波や雑音や他端末からの干渉の電力の総計との比ＳＩＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ−ＴＯ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐｌｕｓ Ｎｏｉｓｅ ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）が最大になる様に信号処理を行う。この処理を通信中の全３端末に関して行い、結果を希望信号推定値（複素数）３１５として出力する。これらの信号は、逆拡散器３１６において、各々の端末に対応するＷａｌｓｈ関数、擬似雑音系列によって逆拡散が行われ、判定器３１７にてビット判定が行われる。
【０００５】
図１４は前記干渉除去器の従来方式の場合の詳細図である。簡単のため、端末＃０に関する信号処理部分のみを取り上げる。干渉除去器３１４ｃには４本のアンテナ素子に対応した４個のデジタル複素ベースバンド信号３１３が入力される。これらの信号にはパイロット信号が含まれているため、複素インパルス応答推定器１０１にて、通信中の端末＃０、＃１、＃２それぞれに対応する擬似雑音系列を用いて逆拡散処理及び同期加算処理を行うことによって、それぞれの端末との間の伝搬路の複素インパルス応答１０２が推定される。
【０００６】
指向性形成器１０３では、４個のデジタル複素ベースバンド信号に対応する重み（複素数）１０４をそれぞれ乗算し、結果を全て加算し、希望信号推定値３１５として出力する。以下に述べるような端末＃０用の重みを用いた時、アレーアンテナ３１１の指向性は概ねアンテナビームパターン１０８のように端末＃０からの希望波の到来方向に強い指向性ち、端末＃１、＃２からの干渉波の到来方向にヌルの指向性を持ったものとなる。
【０００７】
重み推定器４２０では、複素インパルス応答推定器１０１にて測定した複素インパルス応答１０２を用いて重み１０４を推定する。この際、希望信号推定値３１５の端末＃０に関するＳＩＮＲが最大となることを目標として推定する。一般に、このような推定を行うためには、受信信号の他に端末＃０の送信信号が必要となるが、それは無理である。よって重み推定器４２０において、実際の通信環境のシミュレーションを行う。これによって、受信信号だけでなく、送信信号についても擬似的に得る事ができ、これを元に重みを計算できる。
【０００８】
擬似送信信号発生器４２１は、その内部のランダムＱＰＳＫ信号発生器によって、通信中の３端末からの送信信号に対応する擬似送信信号（複素数）４２２を発生する。
擬似受信信号発生器４２３は、複素インパルス応答１０２に従って実際の通信環境を再現し、３端末分の擬似送信信号をもとに、４アンテナ素子分の擬似受信信号（複素数）４２５を生成する。
【０００９】
フィルタ４２６には、それぞれ対応する端末＃Ｔとアンテナ素子ｅに対応する複素インパルス応答１０２がタップ係数として設定される。これに、端末＃Ｔの擬似送信信号４２２を入力することによって、アンテナ素子ｅで受信する端末＃Ｔからの信号が出力される。この信号を３端末分加算し、擬似的な雑音をさらに雑音加算器４２４にて加算する事によって、アンテナ素子ｅに対応する擬似受信信号４２５が生成される。
【００１０】
端末＃Ｔの擬似送信信号４２２をｄＴ［ｋ］、端末＃Ｔ、アンテナ素子ｅに対応する複素インパルス応答１０２をｈＴ ｅ［ｋ］、アンテナ素子ｅに対応する擬似雑音、擬似受信信号をそれぞれｎｅ［ｋ］、ｘｅ［ｋ］とすると、擬似受信信号４２５は次のように表される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
但し、ｋは整数であり、離散化された時間を意味している。擬似雑音の電力は、擬似受信信号４２５のＳＮ比と前記デジタル複素ベースバンド信号３１３のＳＮ比とが同じになるようにあらかじめ調整される。
【００１３】
重み計算器４２７は、端末＃０の擬似送信信号４２８と擬似受信信号４２５を用いて、重み１０４を統計的に計算する。
重み計算器４２７内の自己相関行列計算器４２９は、擬似受信信号４２５から４次の正方行列である自己相関行列を計算する。自己相関行列をＲｘｘ、統計計算に用いるサンプル数をＮｓａ、ｘ［ｋ］の複素共役をｘ＊［ｋ］とすると、自己相関行列は次式のように計算される。
【００１４】
【数２】
【００１５】
相互相関ベクトル計算器４３０は、端末＃０の擬似送信信号４２８と擬似受信信号４２５とから、４次の列ベクトルである相互相関ベクトルを計算する。相互相関ベクトルをＲｘｄとすると、相互相関ベクトルは次式のように計算される。
【００１６】
【数３】
【００１７】
連立１次方程式計算器４３１は、自己相関行列と相互相関ベクトルとを用いて、重みを未知数とする連立１次方程式を満足する重みを計算する。アンテナ素子ｅに対応する重みをｗｅとし、これをｅ行目の要素にもつ４次の列ベクトルをＷとする。連立１次方程式計算器は、方程式 Ｒｘｘ・Ｗ＝Ｒｘｄ を満足するＷを計算する。
以上で述べた重み推定器４２０の重み推定方法はＳＭＩ法（逆行列演算法）と呼ばれる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
図１４に示す従来方式の重み推定器４２０では、統計処理を行って重みを算出しているため、計算量が極めて大きいという問題がある。また、重みを高精度に算出するためには、統計に用いるサンプル数を増大させる必要があり、さらに計算量が大きくなるという問題がある。また、一般に良く用いられるＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ：再帰最小二乗）法をＳＭＩ法の代わりに用いると、さらに計算量が増大する。
【００１９】
本発明の目的は、統計的手法を用いることなくアダプティブアレーアンテナに対応する重みの計算を行い、計算量を低減することができる重み推定方法並びに重み推定装置及びそれを備えた干渉除去装置と受信機を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、１つまたは複数の送信機から送信された信号を受信する複数のアンテナ素子からなるアダプティブアレーアンテナに対応したデジタル複素ベースバンド信号に基づいて、各送信機の複素インパルス応答を推定して、該複素インパルス応答を用いて前記アダプティブアレーアンテナに対応する重みを推定する重み推定方法において、
各送信機の前記自己相関行列を計算するステップと、希望送信機、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生させるステップと、前記相互相関ベクトルと前記自己相関行列から、希望端末、希望パスに関する重みを計算するステップとを実行することを特徴とする。
【００２１】
本発明は、前記相互相関ベクトル発生のステップでは、アンテナ素子ｅの希望送信機の複素インパルス応答の希望パスの遅延時間の値の複素共役をｅ行目に持つ希望送信機、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生することを特徴とする。
【００２２】
本発明は、前記自己相関行列計算のステップでは、雑音の自己相関行列を計算し、ある送信機の自己相関行列を計算し、全送信機の自己相関行列を計算し、これらと雑音の自己相関行列を全て加算し、自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００２３】
本発明は、送信機の自己相関行列を計算する際には、アンテナ素子ｐの複素インパルス応答と、アンテナ素子ｑの複素インパルス応答との相互相関関数の原点の値をｐ行ｑ列に持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００２４】
本発明は、雑音の自己相関行列を計算する際には、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００２５】
本発明は、雑音の自己相関行列を計算する際には、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数とあらかじめ設定された微小正値のうち大きな値をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００２６】
本発明は、１つまたは複数の送信機から送信された信号を受信する複数のアンテナ素子からなるアダプティブアレーアンテナに対応したデジタル複素ベースバンド信号に基づいて、各送信機の複素インパルス応答を推定して、該複素インパルス応答を用いて前記アダプティブアレーアンテナに対応する重みを推定する重み推定装置において、
各送信機の前記自己相関行列を計算する自己相関行列計算手段と、希望送信機、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生させる相互相関ベクトル発生手段と、前記相互相関ベクトルと前記自己相関行列から、希望端末、希望パスに関する重みを計算する連立１次方程式計算手段を備えたことを特徴とする。
【００２７】
また、本発明は、前記相互相関ベクトル発生手段が、アンテナ素子ｅの希望端末の複素インパルス応答の希望パスの遅延時間の値の複素共役をｅ行目に持つ希望端末、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明は、前記自己相関行列計算手段が、雑音の自己相関行列を計算する雑音用自己相関行列計算手段と、ある端末の自己相関行列を計算する端末用自己相関行列計算手段とを備え、全端末の自己相関行列を計算し、これらと雑音の自己相関行列を全て加算し、自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００２９】
また、本発明は、前記端末用自己相関行列計算手段が、アンテナ素子ｐの複素インパルス応答と、アンテナ素子ｑの複素インパルス応答との相互相関関数の原点の値をｐ行ｑ列に持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００３０】
また、本発明は、前記雑音用自己相関行列計算手段は、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００３１】
また、本発明は、前記雑音用自己相関行列計算手段が、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数とあらかじめ設定された微小正値のうち大きな値をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００３２】
ここで、請求項１〜６のいずれかの重み推定装置は干渉除去装置や受信機に備えることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３４】
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態について詳細を述べる。
送信機については、図１２に示す従来方式の送信機と同じである。送信信号、はトラフィックチャネル２０１とパイロットチャネル２０２から構成される。トラフィックチャネルはデータを運ぶためのものであり、パイロットチャネルは複素インパルス応答を測定するためのものである。
【００３５】
ＱＰＳＫ信号発生器２０３では、データを元にＱＰＳＫベースバンド信号を発生する。ＱＰＳＫシンボル長をＴｓとする。Ｗａｌｓｈ関数発生器２０４では、その端末に割り当てられたＷａｌｓｈ関数２１０を発生する。Ｗａｌｓｈ関数のチップ長をＴｃ、周期をＰｗとすると、Ｔｓ＝Ｔｃ・Ｐｗである。本実施形態ではＰｗ＝６４である。乗算器２０５ではＷａｌｓｈ関数をＱＰＳＫ信号に乗算する事によって、スペクトラムを拡散し、トラフィックチャネル２０１を生成する。加算器２０６では、一定値であり十分に減衰されたパイロットチャネル２０２を加算する。擬似雑音系列発生器２０７では、その端末に割り当てられた擬似雑音系列２０９を発生する。擬似雑音系列のチップ長は、Ｗａｌｓｈ関数のチップ長Ｔｃと等しい。擬似雑音系列の周期Ｐｐは、Ｗａｌｓｈ関数の周期の整数倍である。本実施形態ではＰｐ＝２５６である。乗算器２０８では擬似雑音系列を乗算する事により、再度スペクトラム拡散を行い、送信ベースバンド信号を生成する。この後、図示していないが、帯域制限、Ｄ／Ａ変換、直交変調、アップコンバート等行い送信する。
【００３６】
Ｗａｌｓｈ関数のｎ番目の値をｗｎ、擬似雑音系列のｘ番目の値（複素数）をｃｘ、ＱＰＳＫシンボルのｋ番目の値（複素数）をｄｋ、パイロットチャネルの値（一定値）をｐ、δ（ｔ）をディラックのデルタ関数とすると、送信ベースバンド信号Ｓ（ｔ）は次のように表される。
【００３７】
【数４】
【００３８】
受信機の概要については図１３に示す従来方式の受信機と同じであり、詳しい説明は省略する。
【００３９】
図１に、第１実施形態の干渉除去器の詳細図を示す。簡単のため従来例と同じく、ある希望端末＃τ（本例ではτ＝０）に関する信号処理部分のみを取り上げる。第１実施形態の干渉除去器３１４ａは、図１４に示す従来方式の干渉除去器３１４ｃとは、重み推定器１２０の部分が大きく異なる。一般的に説明を行うために、以下ではアンテナ素子の数をＮｅｌｅと表す。本実施形態ではＮｅｌｅ＝４である。まず重み推定器について述べ、その後それ以外の部分について述べる。
【００４０】
重み推定器１２０は、図１４の従来の重み推定器４２０と同等の機能を有する。すなわち、複素インパルス応答推定器１０１にて測定した複素インパルス応答１０２を用いて重み（複素数）１０４を推定する。この際、従来と同じく、希望端末＃τからの希望パスの成分を信号成分Ｓ、希望端末＃τからであっても希望のパス以外の成分や、希望端末＃τ以外からの信号の合計を干渉成分Ｉ、雑音成分をＮとしたときの、希望信号推定値（複素数）３１５のＳＩＮＲが最大となることを目標として推定する。希望パスについては、候補となるパスのうち最大電力をもつパスが複素インパルス応答推定器１０１にて希望パスとして選択される。これについては以下でも詳細を述べるが、以下の説明では、希望端末＃τ（＝０）から到来する直接波１３１や反射波１３２などの信号のうち、最大電力をもつ直接波１３１を希望パスとして選択している。また本発明の重み推定器１２０は、図１４の従来の重み推定器４２０と比べて、計算量が大幅に削減されている。推定した重みは端末＃τとの通信に用いる。この重みを用いた時のアレーアンテナの指向性は概ねアンテナビームパターン１０８のように端末＃τ（＝０）からの希望パスである直接波１３１の到来方向に強い指向性を持ち、その他のパス（例えば反射波１３２）やその他の端末からの干渉信号の到来方向にヌルの指向性を持ったものとなる。
【００４１】
端末＃Ｔ用の自己相関行列計算器１２１は、複素インパルス応答１０２を元に、端末＃Ｔからの信号の自己相関行列を計算する。この行列はＮｅｌｅ次の正方行列である。詳細には、アンテナ素子ｐに対応する複素インパルス応答と、アンテナ素子ｑに対応する複素インパルス応答との相互相関関数の原点の値をｐ行ｑ列の値として計算する。
【００４２】
ただし、関数Ａ［ｋ］とＢ［ｋ］の相互相関関数ＲＡＢ［ｋ］を、
【数５】
としている。
【００４３】
よって原点の値ＲＡＢ［０］は、
【数６】
となる。
【００４４】
端末＃Ｔ、アンテナ素子ｅに対応する複素インパルス応答をｈＴ ｅ［ｋ］とすると、端末＃Ｔからの信号の自己相関行列ＲＴ ｘｘは次のように表される。
【数７】
【００４５】
雑音用の自己相関行列計算器１２２は、雑音の自己相関行列を計算する。この行列はＮｅｌｅ次の対角行列である。詳細には、アンテナ素子ｅに対応する参照信号対雑音電力比（実数）ＤＮｅの逆数をｅ行ｅ列に配置する。参照信号対雑音電力比の計算方法については後述する。参照信号対雑音電力比は、図１４の従来方式においては、擬似送信信号発生器４２１において発生させる擬似送信信号４２２の電力と、擬似受信信号発生器４２３において加算させる擬似雑音の電力との比に相当するものである。雑音の自己相関行列をＲＮｏｉｓｅ ｘｘとすると、次のように表される。
【００４６】
【数８】
【００４７】
相互相関ベクトル発生器１２３は、複素インパルス応答１０２を元に、Ｎｅｌｅ次の列ベクトルである相互相関ベクトル１２６を計算する。詳細には、アンテナ素子ｅに対応する希望端末＃τの複素インパルス応答１０２で、希望パスの遅延時間κτの時点の値の複素共役を、ｅ行目の値として配置する。希望パスの遅延時間κτの決定方法は後述する。希望端末＃τに対応する相互相関ベクトルをＲτｘｄとすると、次のように表される。
【００４８】
【数９】
【００４９】
行列加算器１２４は、雑音の自己相関行列と、通信中の端末からの信号の自己相関行列全て（ここでは＃０、＃１、＃２）を加算し、自己相関行列１２７を計算する。通信中の端末については、上位プロトコルから適時通知してもらう。自己相関行列をＲｘｘとすると、次のように表される。
【００５０】
【数１０】
【００５１】
連立１次方程式計算器１２５は、自己相関行列１２７と希望端末＃τに対応する相互相関ベクトル１２６を用いて、希望端末＃τに対応する重みを未知数とする連立１次方程式を満足するように重み１０４を計算する。ただし、自己相関行列１２７の行列式の値があらかじめ設定しておいた固定値Δｍｉｎに満たない場合、計算された重みは連立１次方程式を満足しない場合もある。またある固定値以上であったとしても、デジタル信号処理によって計算を行うため、まるめ誤差が発生し、誤差程度の範囲で満足しない場合もある。これを言い換えると、連立１次方程式の左辺と右辺の差があらかじめ設定しておいた固定値Δｅｒｒ以下になるような条件を満たす重みを１組計算するということもできる。
【００５２】
連立１次方程式計算器１２５の構成を図２に示す。自己相関行列計算器１２８で計算された自己相関行列１２７は、連立１次方程式計算器１２５の逆行列計算器１２０１で逆行列を求める。この逆行列と相互相関ベクトル発生器１２３で計算された相互相関ベクトル１２６とを乗算器１２０２で乗算しセレクタ１２０４に入力する。また、セレクタ１２０４には、逆行列計算器１２０１から、行列式の値が小さすぎて（あらかじめ設定しておいた固定値Δｍｉｎより小さくて）逆行列が計算できないことを示す例外フラグと例外時重み発生器１２０３で発生させた重みが入力されている。セレクタ１２０４は例外フラグが立っている場合、例外時重み発生器１２０３で発生させた重みを選択し、立っていない場合、乗算器１２０２の結果を選択する。こうして、セレクタ１２０４から重み１０４が出力される。例外時重み発生器１２０３は、例外時の重みを計算する。例えば、各アンテナ素子からの複素ベースバンド信号のうち最大のＳＩＮＲを持つものを希望信号推定値３１５とするように重みを計算する。この計算方法を式で表すと次式のようになる。ただし例外時のアンテナ素子ｅに対応する重みをｗｅｘτｅとする。
【００５３】
【数１１】
【００５４】
連立１次方程式の左辺は、自己相関行列の右から、アンテナ素子ｅに対応する重みをｅ行目にもつＮｅｌｅ次の重み列ベクトルを掛けたものである。右辺は相互相関ベクトルである。希望端末＃τ、アンテナ素子ｅに対応する重みをｗτｅとすると、重み列ベクトルＷτ、連立１次方程式は、次のように表される。
【００５５】
【数１２】
【００５６】
以上の手順で計算された重み１０４を用いて、指向性形成器１０３は、端末＃τ用にＳＩＮＲが最大化された希望信号推定値（複素数）３１５を生成する。詳細には、全てのアンテナ素子からのデジタル複素ベースバンド信号３１３に、それぞれ対応する重みを乗算し、これらの積を全て加算する。アンテナ素子ｅからのデジタル複素ベースバンド信号をｙｅ（ｔ）とすると、希望信号推定値ｚτ（ｔ）は、次のように表される。
【００５７】
【数１３】
【００５８】
複素インパルス応答推定器１０１は、デジタル複素ベースバンド信号３１３を逆拡散及び同期加算することによって、通信中の端末（ここでは＃０、＃１、＃２）との間の伝搬路の複素インパルス応答１０２を推定する。構成を図３に示す。
通信中の端末それぞれに対して、逆拡散器５０１にて、逆拡散及び同期加算を行う。これによって、デジタル複素ベースバンド信号３１３のサンプリング周期Ｔｓａと同じサンプリング周期を持つ複素インパルス応答５０２が得られる。これらを整形器５０３で適切に処理し、チップ長Ｔｃをサンプリング周期とする複素インパルス応答１０２を生成する。またこの際、相互相関ベクトル発生器１２３が必要としている希望パスの遅延時間κτも求める。
【００５９】
端末＃Ｔ用の逆拡散器５０１を図４に示す。アンテナ素子分の逆拡散器６０１から構成される。アンテナ素子ｅからのデジタル複素ベースバンド信号３１３は、対応する逆拡散器６０１に入り、端末＃Ｔの送信機においてパイロット信号の拡散を行った擬似雑音系列２０９に対応する整合炉波器６１１を通る。この結果、擬似雑音系列の周期時間Ｐｐ・Ｔｃ毎にトラフィック信号が未だ十分抑圧されていない複素インパルス応答６１２が出力される。これを擬似雑音系列の周期時間毎に分配器６１３で重ね合わせてゆき、積分器６１４によって同期的に加算してゆくと、トラフィック信号が抑圧された複素インパルス応答６１５が得られる。
【００６０】
図５はこの処理を概念的に表したものである。デジタル複素ベースバンド信号３１３のオーバーサンプリング数をＮｏｓ（＝Ｔｃ／Ｔｓａ）とすると、擬似乱数系列の周期時間Ｐｐ・Ｔｃの間にはＮｏｓ・Ｐｐ個のサンプルが存在するので、積分器６１４はこの数だけ存在する。Ｎｏｓ・Ｐｐ個の積分器６１４の出力を順にｇＴ ｅ（０・Ｔｓａ）、ｇＴ ｅ（１・Ｔｓａ）、ｇＴ ｅ（２・Ｔｓａ）、．．．、ｇＴ ｅ（（Ｎｏｓ・Ｐｐ−１）・Ｔｓａ）とすると、端末＃Ｔ、アンテナ素子ｅに対応する複素インパルス応答ｇＴ ｅ（ｎ・Ｔｓａ）ができる。
整形器５０３は複素インパルス応答５０２を利用可能な形に整形する。
【００６１】
図６はこの処理を概念的に表したものである。上の応答が処理前、下が処理後である。図中の１３１、１３２で示される個所のインパルス応答のレベルが高くなっているが、これはそれぞれ直接波、遅延波の信号成分に相当する。処理内容については、まず、最大電力を持つパス８０１を探す。次に最大電力を持つパスのチップタイミング８０４でチップ長毎に複素インパルス応答５０２を間引いてゆく。更に、間引いた値が雑音電力レベルに満たなければ、これを切り捨て、値を０とする。また、最大電力を持つパスの遅延時間を希望パスの遅延時間とする。以上を式で表すと次のようになる。
雑音レベル（実数）をＮｅとすると、次式で表される各パスの電力σＴ（ｎ・Ｔｓａ）を計算し、σＴ（ｎ・Ｔｓａ）を最大にするｎ＝ｎＴ ｍａｘ（パスの遅延時間８０２）を求める。
【００６２】
【数１４】
【００６３】
整形器５０３処理後の複素インパルス応答ｈＴ ｅ（ｋ・Ｔｃ＋ｔ０Ｔ）（符号１０２）は以下のように表される。
【００６４】
【数１５】
【００６５】
ここでｔ０Ｔは最大電力を持つパスのチップタイミング８０４である。また、ＴＨはあらかじめ設定された閾値であり、本実施形態ではＴＨ＝Ｎｅｌｅ（＝４）である。このようにして計算したｈＴ ｅ（ｋ・Ｔｃ＋ｔ０Ｔ）を複素インパルス応答ｈＴ ｅ［ｋ］（符号１０２）として出力する。
最大電力を持つパスの遅延時間κＴ（パスの遅延時間８０３）は以下のように表される。
【００６６】
【数１６】
【００６７】
全端末の最大電力を持つパスの遅延時間κＴ（Ｔ＝０、１、２）のうち、端末＃τに対応する重みを計算するために、遅延時間κτ（τ＝０）を希望パスの遅延時間として相互相関ベクトル発生器１２３に渡す。
雑音レベルの求め方については後述する。
【００６８】
ダウンコンバート部３１２の構成を図７に示す。アンテナからの信号３１８は、各アンテナ素子用のダウンコンバート部９０１に入力され、増幅、周波数変換、Ａ／Ｄ変換、フィルタリング等が行われ、デジタル複素ベースバンド信号３１３として出力される。ダウンコンバート部９０１の中にはフィルタや、固定利得の増幅器のような固定利得を持つものと、ＡＧＣ増幅器のような可変利得を持つものがある。各アンテナ素子毎の可変利得を持つものの総利得は雑音推定器１０５に渡される。
雑音推定器１０５は、複素インパルス応答推定器１０１で用いられる雑音電力レベル１０６と、雑音用自己相関行列計算器１２２で用いられる参照信号対雑音電力比１０７を計算する。
【００６９】
複素インパルス応答推定器１０１で用いられるあるアンテナ素子に対応する雑音電力レベルは、対応するダウンコンバート部９０１の可変利得部の総利得とあらかじめ設定された定数の積として計算される。
あらかじめ設定された定数は、適当な端末＃Ｔの送信器のＲＦ出力の信号を減衰器を介して有線にて対応するアンテナ素子のアンテナ入力に入力し、デジタル複素ベースバンド信号３１３のトラフィックチャネルと雑音電力の比が１となるように減衰器を調整した場合、この時（設定時）の可変利得部の総利得の逆数と、（設定時の）複素インパルス応答の最大電力を持つパスの値の絶対値の二乗の積として算出する。
【００７０】
ダウンコンバート部９０１の可変利得部の総利得をＧｖ ｅ、設定時の総利得をＧ０ｖ ｅ、設定時複素インパルス応答の最大電力を持つパスの遅延時間をｎ０Ｔ ｍａｘとすると、あらかじめ設定された定数Ｎ０ｅ、雑音電力レベルＮｅ、設定時複素インパルス応答の最大電力を持つパスの値Ａ０ｅは次のように表される。
【００７１】
【数１７】
【００７２】
重み推定器１２０で用いられるあるアンテナ素子に対応する参照信号対雑音電力比は、対応するダウンコンバート部９０１の可変利得部の総利得の逆数とあらかじめ設定された定数の積として計算される。
あらかじめ設定された定数は、先に述べた設定時の可変利得部の総利得と、（設定時の）複素インパルス応答１０２の最大電力を持つパスの値の絶対値の二乗の逆数の積として算出する。
あらかじめ設定された定数ＤＮ０ｅ、参照信号対雑音電力比ＤＮｅは次のように表される。
【００７３】
【数１８】
【００７４】
従来方式と本実施形態の重み計算器の計算量を比較した図を図８、図９に示す。図８はアンテナ素子数Ｎｅｌｅ＝４の場合、図９は７の場合である。従来方式の重み計算アルゴリズムとしては、ＳＭＩ法とＲＬＳ法を取り上げた。有効パス数Ｌとは、全ての端末からの複素インパルス応答のうち、閾値ＴＨを超えたパスの数である。Ｌ＝１２の一例は、通信中の端末数が６端末で、各端末からのパスの数が２パスの場合に相当する。Ｌ＝４の一例は、２端末から２パスずつの場合に相当する。このような状況において、ある１端末に対する重みを計算する場合の計算量が縦軸である。ただし、複素数の加減乗除算、実数の加減乗除算すべてを計算量１としている。横軸はＳＭＩ法、ＲＬＳ法のアルゴリズムを実行する際、統計計算に必要となるサンプル数Ｎｓａである。
【００７５】
本実施形態は統計計算を行わないため、サンプル数という概念が無く、従ってグラフは横軸と平行な一定値となる。従来方式において、ＳＭＩ法や、ＲＬＳ法のサンプル数については、アレーアンテナの素子数の２倍以上とするのが一般的である。すなわちアンテナ素子数が、４、７のとき、それぞれ、８、１４以上としている。よって図８及び図９のグラフより、本発明によっておよそ６割以上計算量が削減されていることがわかる。
【００７６】
第１実施形態を説明する際、端末＃０、＃１、＃２が存在し、このうち端末＃０と通信を行うことを仮定していたが、図１５のように、端末＃６しか存在しない環境で、この端末＃６と通信を行うことも可能である。この場合は以下のような動作になる。複素インパルス応答推定器１０１は端末＃６との間の複素インパルス応答を推定し出力する。複素インパルス応答推定器１０１が最大３端末分の複素インパルス応答を出力することができるなら、残りの出力からは何も出力されない。図示されない上位層は端末＃６が存在していることを認識し、端末＃６と通信を行うために、端末＃６用の重みを重み推定器１２０に計算するように指示する。端末用自己相関行列計算器１２１は端末＃６用の自己相関行列を計算する。重み推定器がハードウエアのみで構成されており、考慮できる最大の端末が３個であり、端末用自己相関行列計算器１２１が３個備えられているならば、端末＃６用以外の２個の端末用自己相関行列計算器１２１は全ての要素が０である行列を出力する。ソフトウエアで処理しているならば、端末＃６用の自己相関行列のみしか計算しないことも可能である。自己相関行列計算器１２８が自己相関行列を計算する際用いる式［数１０］の第２項はＴ＝＃６に関して加算するのみである。このような場合、重み推定器１２０は、端末＃６からの希望パスの成分を信号成分Ｓ、それ以外のパスの成分を干渉成分Ｉ、雑音成分をＮとしたときの希望信号推定値３１５のＳＩＮＲ比を最大にすることを目標として重みを計算していることになる。計算した重みを用いたときのアレーアンテナの指向性は、例えば、反射波１３２の電力が最大で、これが希望パスとなる場合、概ね図１５のアンテナビームパターン１０８のように、反射波の到来方向に強い指向性を持ち、その他のパス（例えば直接波１３１）からの干渉信号の到来方向にヌルを持ったものとなる。
【００７７】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態について詳細を述べる。
本発明の第２実施形態は第１実施形態とほとんど同じである。異なる点は雑音用の自己相関行列計算器１２２である。第１実施形態において、伝搬路の状態が非常に良好な場合、アンテナ入力３１８に入力される受信信号の電力が大きくなるため、ＡＧＣが働き、ダウンコンバート部３１２の可変利得部の総利得９０２が小さくなり、従って、参照信号対雑音電力比の逆数が非常に小さくなる。自己相関行列計算器１２２はデジタル信号処理を行っており量子化誤差が存在するため、参照信号対雑音電力比の逆数がこれより小さな値になると切り捨てられて０となる場合がある。このような場合で、さらに、希望端末からの信号に遅延波がなく、希望端末以外の端末からの干渉波が無いような好条件が重なった場合、自己相関行列１２７の行列式があらかじめ与えられた設定値に満たなくなる場合がある。すると、連立１次方程式計算器１２５で採用される計算アルゴリズムによっては、計算される重み１０４が必ずしも最適な値とならず、絶好の通信条件を生かすことが出来なくなる恐れがある。以上のような事を防ぐために、第２実施形態ではあらかじめ微小な正の値を設定し、参照信号対雑音電力比の逆数がこれより小さくなった場合、この微小正値を代わりに用いる。
アンテナ素子ｅに対応する微小正値をεｅとすると、雑音用の自己相関行列のｅ行ｅ列の値ＲＮｏｉｓｅ ｘｘ（ｅ）は以下のように表される。
【００７８】
【数１９】
【００７９】
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態について詳細を述べる。
第１実施形態の干渉除去器（図１の３１４ａ）は、説明を簡略化するため、ある端末＃τの最大電力を持つパスに関する重み１０４だけを計算し、対応する希望信号推定値３１５を出力していた。第３実施形態は基本的には第１実施形態と同じであるが、より現実的な例である。第３実施形態の干渉除去器３１４ｂを図１０に示す。受信機は端末＃３、＃７、＃９を認識している。その内端末＃３、＃９と通信を行っている。端末＃７はさらに他の端末と通信しており、その際使用している電波が、端末＃３、＃９との通信の干渉となるため、干渉除去の対象としている。
【００８０】
第３実施形態は、２フィンガーのレイク受信機となっている。すなわち、端末＃３、＃９との通信においてそれぞれ、最大電力パスと第二電力パスに関して対応する希望信号推定値１２１１を算出し、これらを最大比合成器１２１２にてパスタイミングを調節した後、最大比合成を行い希望信号推定値１２１３として出力する。
【００８１】
重み推定器１２２０は、全ての希望端末の最大電力パスと第二電力パス用の重み１０４を計算する。
重み推定器の詳細図を図１１に示す。例として、希望端末＃３、＃９それぞれの最大電力パスの遅延時間が３１、９１、第二電力パスの遅延時間が３５、９８であるとする。これらの値は複素インパルス応答推定器１０１で推定される。これらの値が希望パスの遅延時間として重み推定器１２２０に渡される。重み推定器では、希望端末、希望パスに対応する相互相関ベクトル１２６を相互相関ベクトル発生器１２３で発生する。先の値を例とすると、希望端末＝＃３、希望パス＝最大電力パスについて発生させる場合、τ＝３、κ３＝３１というパラメーターを相互相関ベクトル発生器に与える。また、全端末は＃３、＃７、＃９であるというパラメーターを自己相関行列発生器１２８に与え、自己相関行列１２７を計算する。連立１次方程式計算器１２５では、希望端末＝＃３、希望パス＝最大電力パスについての相互相関ベクトル１２６と自己相関行列１２７から、対応する希望端末、希望パスの重みを計算する。同様の方法で、全ての希望端末の最大電力パスと第二電力パス用の重み１０４を計算する。
【００８２】
＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態について詳細を述べる。
第４実施形態は、通信の品質をあらかじめ推定するための通信シミュレーターであり、第１の実施形態と同じ機能がソフトウエアで構成されている。このソフトウエアを汎用計算器上で動作させる。このように本発明の重みの計算方法の実現手段は、ハードウエアに限定されない。
【００８３】
＜第５実施形態＞
本発明の第５実施形態について詳細を述べる。
第５実施形態は、地上波デジタル放送の受信機である。放送の受信機であるため、通信は行わず、受信するのみである。第１実施形態ではある端末からの信号を受信していたが、第５実施形態では図１６で示すように放送局１６０２から送信される信号を受信する。図１８で示すように受信機１６０１は第１の実施形態と同じく、複数のアンテナ素子から構成されるアダプティブアレーアンテナ３１１を搭載している。また同じく、複素インパルス応答推定器、重み推定器、指向性形成器を備える。そして第５実施形態では、指向性形成器から出力される希望信号推定値をＯＦＤＭ復調器１８０１に入力する。地上波デジタル放送の変調方式はＯＦＤＭ方式であり、受信信号をもとに放送局１６０２との間の複素インパルス応答を推定することができる。従って、第１実施形態が端末＃６と通信していた図１５に示す状況とおなじように、重み推定器で重みを計算することができる。また、同じように、受信機は直接波１３１や反射波１３２の内から最大の電力を持つパスを希望パスとして選択し、他のパスの成分を干渉とみなし、ＳＩＮＲを最大化するようにアダプティブアレーを制御する。ＯＦＤＭ方式は直接波のほかに反射波などの遅延波が存在する環境においても受信特性がよいが、アダプティブアレーアンテナを用いて受信することによって、さらに受信特性が良くなる。これによって、アダプティブアレーアンテナを用いていない受信機では受信できなかったエリアでも、受信が可能となる。
【００８４】
このように本発明は通信分野に限定されない。また、受信機が受信する信号を送信する送信機を備えているのは第１から第４実施形態のように端末に限らず、本実施形態のように放送局であることもあるし、また通信分野においては基地局であることもあり、特定されない。
【００８５】
＜第６実施形態＞
本発明の第６実施形態について詳細を述べる。
第６実施形態も、第５実施形態と同じく、地上波デジタル放送の受信機である。第６実施形態と異なる点は、放送の電波が主局１６０２から送信されると共に、この電波が中継局１６０３で中継されて送信される。このとき同じ周波数で中継されている。ＯＦＤＭ方式を用いると、同じ周波数で中継しても受信機で問題なく受信可能となり、地上波デジタル放送ではこのような中継方式も予定されている。このような状況で第５実施例とまったく同じ受信機１６０１で受信する。受信機中の複素インパルス応答推定器は複素インパルス応答を推定するが、このときあたかも１個の送信機から送信されているかのごとく複素インパルス応答が推定される。実際には図１７のように主局１６０２と中継局１６０３が存在するが、図１６のように中継局が存在せず、中継局からの電波が主局からの電波の反射波のように解釈される。またはこの逆で、主局が存在せず、主局からの電波が中継局からの電波の反射波のように解釈される。この解釈の違いは複素インパルス応答の時間の基準をどことみなすかに依存するだけの話であり、たいした違いではない。どちらにせよ受信機は同じように最大電力を持つパスを捕捉し、その他のパスを干渉とみなし、ＳＩＮＲ比が最大になるようにアダプティブアレーアンテナを制御する。図１７は、主局からの直接波１３１や図示されない反射波、中継局からの直接波１７１や図示されない反射波のうちから、最大電力をもつ主局からの直接波１３１を補足している様子を示している。
【００８６】
このように、複素インパルス応答推定器や重み推定器の認識している送信機（端末、基地局、放送局等）は実際の物理的な送信機を反映したものではない場合もある。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば、各端末の複素インパルス応答に基づいて計算された自己相関行列と希望端末、希望パスに関する相互相関ベクトルとから、希望端末、希望パスに関する重みを代数的に計算するので、統計的手法を用いることがなく、計算量を大幅に削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の干渉除去器を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態の連立１次方程式計算器を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態の複素インパルス応答推定器を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態の端末＃Ｔ用逆拡散器を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１実施形態の同期加算処理の概念図である。
【図６】本発明の第１実施形態の整形器の処理の概念図である。
【図７】本発明の第１実施形態のダウンコンバート部を示すブロック図である。
【図８】アンテナ素子数が４の場合の重み計算器の計算量を示す特性図である。
【図９】アンテナ素子数が７の場合の重み計算器の計算量を示す特性図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の干渉除去器を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第３実施形態の重み推定器を示すブロック図である。
【図１２】デジタル無線通信の送信機を示すブロック図である。
【図１３】デジタル無線通信の受信機を示すブロック図である。
【図１４】従来方式の干渉除去器を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第１実施形態の干渉除去器を示すブロック図であり、通信相手が端末＃６のみの場合である。
【図１６】本発明の第５実施形態の受信環境を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第６実施形態の受信環境を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第５、６実施形態である地上波デジタル放送の受信機を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０１ 複素インパルス応答推定器
１０２ 複素インパルス応答
１０３ 指向性形成器
１０４ 重み
１０５ 雑音推定器
１０６ 雑音電力レベル
１０７ 参照信号対雑音電力比
１０８ アンテナビームパターン
１２０ 重み推定器
１２１ 端末用自己相関行列計算器
１２２ 雑音用自己相関行列計算器
１２３ 相互相関ベクトル発生器
１２４ 行列加算器
１２５ 連立１次方程式計算器
１２６ 相互相関ベクトル
１２８ 自己相関行列計算器
１３１ 直接波
１３２ 反射波
２０１ トラフィックチャネル
２０２ パイロットチャネル
２０３ ＱＰＳＫ信号発生器
２０４ Ｗａｌｓｈ関数発生器
２０５ 乗算器
２０６ 加算器
２０７ 擬似雑音系列発生器
２０８ 乗算器
２０９ 擬似雑音系列
２１０ Ｗａｌｓｈ関数
３００ 端末＃０
３０１ 端末＃１
３０２ 端末＃２
３１１ アレーアンテナ
３１２ ダウンコンバート部
３１３ デジタル複素ベースバンド信号
３１４ 干渉除去器
３１５ 希望信号推定値
３１６ 逆拡散器
３１７ 判定器
４２０ 重み推定器
４２１ 擬似送信信号発生器
４２２ 擬似送信信号
４２３ 擬似受信信号発生器
４２４ 雑音加算器
４２５ 擬似受信信号
４２６ フィルタ
４２７ 重み計算器
４２８ 擬似送信信号
４２９ 自己相関行列計算器
４３０ 相互相関ベクトル計算器
４３１ 連立１次方程式計算器
５０１ 逆拡散器
５０２ 整形前の複素インパルス応答
５０３ 整形器
６０１ アンテナ素子ｅ用逆拡散器
６１１ 整合炉波器
６１２ 同期加算前のインパルス応答
６１３ 分配器
６１４ 積分器
６１５ 同期加算後のインパルス応答
８０１ 最大電力を持つパス
８０２ 最大電力を持つパスの遅延時間
８０３ 最大電力を持つパスの遅延時間
８０４ チップタイミング
９０１ アンテナ素子ｅ用ダウンコンバート部
９０２ 可変処理部の総利得
１２０１ 逆行列計算器
１２０２ 乗算器
１２０３ 例外時重み発生器
１２０４ セレクタ
１２１１ 希望信号推定値
１２１２ 最大比合成器
１２１３ 希望信号推定値
１２２０ 重み推定器
１６０１ 地上波デジタル放送受信機
１６０２ 放送局（主局）
１６０３ 放送局（中継局）
１８０１ ＯＦＤＭ復調器
１８０２ 干渉除去器
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル無線通信システムに用いられるアダプティブアレーアンテナ方式の干渉除去装置に関するものであり、アダプティブアレーアンテナ方式におけるアンテナの重みを算出する重み推定方法並びに重み推定装置及びそれを備えた干渉除去装置と受信機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタル無線通信システムにおいて、周波数選択性フェージングを軽減し、干渉を低減する方式として、アレーアンテナの指向性を制御し、遅延波や干渉波を抑圧するアダプティブアレーアンテナ方式がある。アダプティブアレーアンテナを制御する方式として、“抑圧パイロット信号を用いたビームフォーミング法”電子情報通信学会論文誌Ｖｏｌ． Ｊ８１−Ｂ−１ Ｎｏ． １１ ｐｐ． ６６１（１９９８／１１発行）に示されるような方式（以下従来方式と呼ぶ）がある。この方式では、伝送信号の中に含まれているパイロット信号を用いて伝搬路のインパルス応答を測定し、これを基にしてアダプティブアレーアンテナの重みを計算し、その指向性を制御している。
【０００３】
従来方式の具体例を述べる。
図１２は従来方式の送信機である。ＱＰＳＫ信号発生器２０３ではデータを元にＱＰＳＫベースバンド信号を発生する。Ｗａｌｓｈ関数発生器２０４ではその端末に割り当てられたＷａｌｓｈ関数を発生する。乗算器２０５ではＷａｌｓｈ関数をＱＰＳＫ信号に乗算する事によってスペクトラムを拡散する。加算器２０６では一定値であり、十分に減衰されたパイロット信号を加算する。受信機は、このパイロット信号を用いて送信器との間の伝搬路のインパルス応答を推定する。擬似雑音系列発生器２０７では、その端末に割り当てられた擬似雑音系列を発生する。乗算器２０８では擬似雑音系列を乗算し、再度スペクトラム拡散を行う。乗算器２０８の出力信号は、図示していないが、Ｄ／Ａ変換、帯域制限、アップコンバート等の処理が施され送信される。
【０００４】
図１３は従来方式の受信機である。それぞれが前記送信機を持つ３個の端末３００〜３０２からの信号を、４本のアンテナ素子を持つアレーアンテナ３１１で受信している。受信した信号は、ＲＦ、ＩＦ、ダウンコンバート、ＬＰＦ、Ａ／Ｄ変換器等からなるダウンコンバート部３１２を経てデジタル複素ベースバンド信号３１３に変換され、干渉除去器３１４に入力される。干渉除去器３１４では、ある端末に対して、その端末からの希望する信号の電力と、それ以外の遅延波や雑音や他端末からの干渉の電力の総計との比ＳＩＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ−ＴＯ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐｌｕｓ Ｎｏｉｓｅ ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）が最大になる様に信号処理を行う。この処理を通信中の全３端末に関して行い、結果を希望信号推定値（複素数）３１５として出力する。これらの信号は、逆拡散器３１６において、各々の端末に対応するＷａｌｓｈ関数、擬似雑音系列によって逆拡散が行われ、判定器３１７にてビット判定が行われる。
【０００５】
図１４は前記干渉除去器の従来方式の場合の詳細図である。簡単のため、端末＃０に関する信号処理部分のみを取り上げる。干渉除去器３１４ｃには４本のアンテナ素子に対応した４個のデジタル複素ベースバンド信号３１３が入力される。これらの信号にはパイロット信号が含まれているため、複素インパルス応答推定器１０１にて、通信中の端末＃０、＃１、＃２それぞれに対応する擬似雑音系列を用いて逆拡散処理及び同期加算処理を行うことによって、それぞれの端末との間の伝搬路の複素インパルス応答１０２が推定される。
【０００６】
指向性形成器１０３では、４個のデジタル複素ベースバンド信号に対応する重み（複素数）１０４をそれぞれ乗算し、結果を全て加算し、希望信号推定値３１５として出力する。以下に述べるような端末＃０用の重みを用いた時、アレーアンテナ３１１の指向性は概ねアンテナビームパターン１０８のように端末＃０からの希望波の到来方向に強い指向性ち、端末＃１、＃２からの干渉波の到来方向にヌルの指向性を持ったものとなる。
【０００７】
重み推定器４２０では、複素インパルス応答推定器１０１にて測定した複素インパルス応答１０２を用いて重み１０４を推定する。この際、希望信号推定値３１５の端末＃０に関するＳＩＮＲが最大となることを目標として推定する。一般に、このような推定を行うためには、受信信号の他に端末＃０の送信信号が必要となるが、それは無理である。よって重み推定器４２０において、実際の通信環境のシミュレーションを行う。これによって、受信信号だけでなく、送信信号についても擬似的に得る事ができ、これを元に重みを計算できる。
【０００８】
擬似送信信号発生器４２１は、その内部のランダムＱＰＳＫ信号発生器によって、通信中の３端末からの送信信号に対応する擬似送信信号（複素数）４２２を発生する。
擬似受信信号発生器４２３は、複素インパルス応答１０２に従って実際の通信環境を再現し、３端末分の擬似送信信号をもとに、４アンテナ素子分の擬似受信信号（複素数）４２５を生成する。
【０００９】
フィルタ４２６には、それぞれ対応する端末＃Ｔとアンテナ素子ｅに対応する複素インパルス応答１０２がタップ係数として設定される。これに、端末＃Ｔの擬似送信信号４２２を入力することによって、アンテナ素子ｅで受信する端末＃Ｔからの信号が出力される。この信号を３端末分加算し、擬似的な雑音をさらに雑音加算器４２４にて加算する事によって、アンテナ素子ｅに対応する擬似受信信号４２５が生成される。
【００１０】
端末＃Ｔの擬似送信信号４２２をｄＴ［ｋ］、端末＃Ｔ、アンテナ素子ｅに対応する複素インパルス応答１０２をｈＴ ｅ［ｋ］、アンテナ素子ｅに対応する擬似雑音、擬似受信信号をそれぞれｎｅ［ｋ］、ｘｅ［ｋ］とすると、擬似受信信号４２５は次のように表される。
【００１１】
【数１】
但し、ｋは整数であり、離散化された時間を意味している。擬似雑音の電力は、擬似受信信号４２５のＳＮ比と前記デジタル複素ベースバンド信号３１３のＳＮ比とが同じになるようにあらかじめ調整される。
【００１３】
重み計算器４２７は、端末＃０の擬似送信信号４２８と擬似受信信号４２５を用いて、重み１０４を統計的に計算する。
重み計算器４２７内の自己相関行列計算器４２９は、擬似受信信号４２５から４次の正方行列である自己相関行列を計算する。自己相関行列をＲｘｘ、統計計算に用いるサンプル数をＮｓａ、ｘ［ｋ］の複素共役をｘ＊［ｋ］とすると、自己相関行列は次式のように計算される。
【００１４】
【数２】
相互相関ベクトル計算器４３０は、端末＃０の擬似送信信号４２８と擬似受信信号４２５とから、４次の列ベクトルである相互相関ベクトルを計算する。相互相関ベクトルをＲｘｄとすると、相互相関ベクトルは次式のように計算される。
【００１６】
【数３】
連立１次方程式計算器４３１は、自己相関行列と相互相関ベクトルとを用いて、重みを未知数とする連立１次方程式を満足する重みを計算する。アンテナ素子ｅに対応する重みをｗｅとし、これをｅ行目の要素にもつ４次の列ベクトルをＷとする。連立１次方程式計算器は、方程式 Ｒｘｘ・Ｗ＝Ｒｘｄ を満足するＷを計算する。
以上で述べた重み推定器４２０の重み推定方法はＳＭＩ法（逆行列演算法）と呼ばれる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
図１４に示す従来方式の重み推定器４２０では、統計処理を行って重みを算出しているため、計算量が極めて大きいという問題がある。また、重みを高精度に算出するためには、統計に用いるサンプル数を増大させる必要があり、さらに計算量が大きくなるという問題がある。また、一般に良く用いられるＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ：再帰最小二乗）法をＳＭＩ法の代わりに用いると、さらに計算量が増大する。
【００１９】
本発明の目的は、統計的手法を用いることなくアダプティブアレーアンテナに対応する重みの計算を行い、計算量を低減することができる重み推定方法並びに重み推定装置及びそれを備えた干渉除去装置と受信機を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、１つまたは複数の送信機から送信された信号を受信する複数のアンテナ素子からなるアダプティブアレーアンテナに対応したデジタル複素ベースバンド信号に基づいて、各送信機の複素インパルス応答を推定して、該複素インパルス応答を用いて前記アダプティブアレーアンテナに対応する重みを推定する重み推定方法において、
各送信機の前記自己相関行列を計算するステップと、希望送信機、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生させるステップと、前記相互相関ベクトルと前記自己相関行列から、希望端末、希望パスに関する重みを計算するステップとを実行することを特徴とする。
【００２１】
本発明は、前記相互相関ベクトル発生のステップでは、アンテナ素子ｅの希望送信機の複素インパルス応答の希望パスの遅延時間の値の複素共役をｅ行目に持つ希望送信機、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生することを特徴とする。
【００２２】
本発明は、前記自己相関行列計算のステップでは、雑音の自己相関行列を計算し、ある送信機の自己相関行列を計算し、全送信機の自己相関行列を計算し、これらと雑音の自己相関行列を全て加算し、自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００２３】
本発明は、送信機の自己相関行列を計算する際には、アンテナ素子ｐの複素インパルス応答と、アンテナ素子ｑの複素インパルス応答との相互相関関数の原点の値をｐ行ｑ列に持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００２４】
本発明は、雑音の自己相関行列を計算する際には、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００２５】
本発明は、雑音の自己相関行列を計算する際には、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数とあらかじめ設定された微小正値のうち大きな値をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００２６】
本発明は、１つまたは複数の送信機から送信された信号を受信する複数のアンテナ素子からなるアダプティブアレーアンテナに対応したデジタル複素ベースバンド信号に基づいて、各送信機の複素インパルス応答を推定して、該複素インパルス応答を用いて前記アダプティブアレーアンテナに対応する重みを推定する重み推定装置において、
各送信機の前記自己相関行列を計算する自己相関行列計算手段と、希望送信機、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生させる相互相関ベクトル発生手段と、前記相互相関ベクトルと前記自己相関行列から、希望端末、希望パスに関する重みを計算する連立１次方程式計算手段を備えたことを特徴とする。
【００２７】
また、本発明は、前記相互相関ベクトル発生手段が、アンテナ素子ｅの希望端末の複素インパルス応答の希望パスの遅延時間の値の複素共役をｅ行目に持つ希望端末、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明は、前記自己相関行列計算手段が、雑音の自己相関行列を計算する雑音用自己相関行列計算手段と、ある端末の自己相関行列を計算する端末用自己相関行列計算手段とを備え、全端末の自己相関行列を計算し、これらと雑音の自己相関行列を全て加算し、自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００２９】
また、本発明は、前記端末用自己相関行列計算手段が、アンテナ素子ｐの複素インパルス応答と、アンテナ素子ｑの複素インパルス応答との相互相関関数の原点の値をｐ行ｑ列に持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００３０】
また、本発明は、前記雑音用自己相関行列計算手段は、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００３１】
また、本発明は、前記雑音用自己相関行列計算手段が、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数とあらかじめ設定された微小正値のうち大きな値をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする。
【００３２】
ここで、請求項１〜６のいずれかの重み推定装置は干渉除去装置や受信機に備えることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３４】
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態について詳細を述べる。
送信機については、図１２に示す従来方式の送信機と同じである。送信信号、はトラフィックチャネル２０１とパイロットチャネル２０２から構成される。トラフィックチャネルはデータを運ぶためのものであり、パイロットチャネルは複素インパルス応答を測定するためのものである。
【００３５】
ＱＰＳＫ信号発生器２０３では、データを元にＱＰＳＫベースバンド信号を発生する。ＱＰＳＫシンボル長をＴｓとする。Ｗａｌｓｈ関数発生器２０４では、その端末に割り当てられたＷａｌｓｈ関数２１０を発生する。Ｗａｌｓｈ関数のチップ長をＴｃ、周期をＰｗとすると、Ｔｓ＝Ｔｃ・Ｐｗである。本実施形態ではＰｗ＝６４である。乗算器２０５ではＷａｌｓｈ関数をＱＰＳＫ信号に乗算する事によって、スペクトラムを拡散し、トラフィックチャネル２０１を生成する。加算器２０６では、一定値であり十分に減衰されたパイロットチャネル２０２を加算する。擬似雑音系列発生器２０７では、その端末に割り当てられた擬似雑音系列２０９を発生する。擬似雑音系列のチップ長は、Ｗａｌｓｈ関数のチップ長Ｔｃと等しい。擬似雑音系列の周期Ｐｐは、Ｗａｌｓｈ関数の周期の整数倍である。本実施形態ではＰｐ＝２５６である。乗算器２０８では擬似雑音系列を乗算する事により、再度スペクトラム拡散を行い、送信ベースバンド信号を生成する。この後、図示していないが、帯域制限、Ｄ／Ａ変換、直交変調、アップコンバート等行い送信する。
【００３６】
Ｗａｌｓｈ関数のｎ番目の値をｗｎ、擬似雑音系列のｘ番目の値（複素数）をｃｘ、ＱＰＳＫシンボルのｋ番目の値（複素数）をｄｋ、パイロットチャネルの値（一定値）をｐ、δ（ｔ）をディラックのデルタ関数とすると、送信ベースバンド信号Ｓ（ｔ）は次のように表される。
【００３７】
【数４】
受信機の概要については図１３に示す従来方式の受信機と同じであり、詳しい説明は省略する。
【００３９】
図１に、第１実施形態の干渉除去器の詳細図を示す。簡単のため従来例と同じく、ある希望端末＃τ（本例ではτ＝０）に関する信号処理部分のみを取り上げる。第１実施形態の干渉除去器３１４ａは、図１４に示す従来方式の干渉除去器３１４ｃとは、重み推定器１２０の部分が大きく異なる。一般的に説明を行うために、以下ではアンテナ素子の数をＮｅｌｅと表す。本実施形態ではＮｅｌｅ＝４である。まず重み推定器について述べ、その後それ以外の部分について述べる。
【００４０】
重み推定器１２０は、図１４の従来の重み推定器４２０と同等の機能を有する。すなわち、複素インパルス応答推定器１０１にて測定した複素インパルス応答１０２を用いて重み（複素数）１０４を推定する。この際、従来と同じく、希望端末＃τからの希望パスの成分を信号成分Ｓ、希望端末＃τからであっても希望のパス以外の成分や、希望端末＃τ以外からの信号の合計を干渉成分Ｉ、雑音成分をＮとしたときの、希望信号推定値（複素数）３１５のＳＩＮＲが最大となることを目標として推定する。希望パスについては、候補となるパスのうち最大電力をもつパスが複素インパルス応答推定器１０１にて希望パスとして選択される。これについては以下でも詳細を述べるが、以下の説明では、希望端末＃τ（＝０）から到来する直接波１３１や反射波１３２などの信号のうち、最大電力をもつ直接波１３１を希望パスとして選択している。また本発明の重み推定器１２０は、図１４の従来の重み推定器４２０と比べて、計算量が大幅に削減されている。推定した重みは端末＃τとの通信に用いる。この重みを用いた時のアレーアンテナの指向性は概ねアンテナビームパターン１０８のように端末＃τ（＝０）からの希望パスである直接波１３１の到来方向に強い指向性を持ち、その他のパス（例えば反射波１３２）やその他の端末からの干渉信号の到来方向にヌルの指向性を持ったものとなる。
【００４１】
端末＃Ｔ用の自己相関行列計算器１２１は、複素インパルス応答１０２を元に、端末＃Ｔからの信号の自己相関行列を計算する。この行列はＮｅｌｅ次の正方行列である。詳細には、アンテナ素子ｐに対応する複素インパルス応答と、アンテナ素子ｑに対応する複素インパルス応答との相互相関関数の原点の値をｐ行ｑ列の値として計算する。
【００４２】
ただし、関数Ａ［ｋ］とＢ［ｋ］の相互相関関数ＲＡＢ［ｋ］を、
【数５】
【００４３】
よって原点の値ＲＡＢ［０］は、
【数６】
【００４４】
端末＃Ｔ、アンテナ素子ｅに対応する複素インパルス応答をｈＴ ｅ［ｋ］とすると、端末＃Ｔからの信号の自己相関行列ＲＴ ｘｘは次のように表される。
【数７】
雑音用の自己相関行列計算器１２２は、雑音の自己相関行列を計算する。この行列はＮｅｌｅ次の対角行列である。詳細には、アンテナ素子ｅに対応する参照信号対雑音電力比（実数）ＤＮｅの逆数をｅ行ｅ列に配置する。参照信号対雑音電力比の計算方法については後述する。参照信号対雑音電力比は、図１４の従来方式においては、擬似送信信号発生器４２１において発生させる擬似送信信号４２２の電力と、擬似受信信号発生器４２３において加算させる擬似雑音の電力との比に相当するものである。雑音の自己相関行列をＲＮｏｉｓｅ ｘｘとすると、次のように表される。
【００４６】
【数８】
相互相関ベクトル発生器１２３は、複素インパルス応答１０２を元に、Ｎｅｌｅ次の列ベクトルである相互相関ベクトル１２６を計算する。詳細には、アンテナ素子ｅに対応する希望端末＃τの複素インパルス応答１０２で、希望パスの遅延時間κτの時点の値の複素共役を、ｅ行目の値として配置する。希望パスの遅延時間κτの決定方法は後述する。希望端末＃τに対応する相互相関ベクトルをＲτｘｄとすると、次のように表される。
【００４８】
【数９】
行列加算器１２４は、雑音の自己相関行列と、通信中の端末からの信号の自己相関行列全て（ここでは＃０、＃１、＃２）を加算し、自己相関行列１２７を計算する。通信中の端末については、上位プロトコルから適時通知してもらう。自己相関行列をＲｘｘとすると、次のように表される。
【００５０】
【数１０】
連立１次方程式計算器１２５は、自己相関行列１２７と希望端末＃τに対応する相互相関ベクトル１２６を用いて、希望端末＃τに対応する重みを未知数とする連立１次方程式を満足するように重み１０４を計算する。ただし、自己相関行列１２７の行列式の値があらかじめ設定しておいた固定値Δｍｉｎに満たない場合、計算された重みは連立１次方程式を満足しない場合もある。またある固定値以上であったとしても、デジタル信号処理によって計算を行うため、まるめ誤差が発生し、誤差程度の範囲で満足しない場合もある。これを言い換えると、連立１次方程式の左辺と右辺の差があらかじめ設定しておいた固定値Δｅｒｒ以下になるような条件を満たす重みを１組計算するということもできる。
【００５２】
連立１次方程式計算器１２５の構成を図２に示す。自己相関行列計算器１２８で計算された自己相関行列１２７は、連立１次方程式計算器１２５の逆行列計算器１２０１で逆行列を求める。この逆行列と相互相関ベクトル発生器１２３で計算された相互相関ベクトル１２６とを乗算器１２０２で乗算しセレクタ１２０４に入力する。また、セレクタ１２０４には、逆行列計算器１２０１から、行列式の値が小さすぎて（あらかじめ設定しておいた固定値Δｍｉｎより小さくて）逆行列が計算できないことを示す例外フラグと例外時重み発生器１２０３で発生させた重みが入力されている。セレクタ１２０４は例外フラグが立っている場合、例外時重み発生器１２０３で発生させた重みを選択し、立っていない場合、乗算器１２０２の結果を選択する。こうして、セレクタ１２０４から重み１０４が出力される。例外時重み発生器１２０３は、例外時の重みを計算する。例えば、各アンテナ素子からの複素ベースバンド信号のうち最大のＳＩＮＲを持つものを希望信号推定値３１５とするように重みを計算する。この計算方法を式で表すと次式のようになる。ただし例外時のアンテナ素子ｅに対応する重みをｗｅｘτｅとする。
【００５３】
【数１１】
連立１次方程式の左辺は、自己相関行列の右から、アンテナ素子ｅに対応する重みをｅ行目にもつＮｅｌｅ次の重み列ベクトルを掛けたものである。右辺は相互相関ベクトルである。希望端末＃τ、アンテナ素子ｅに対応する重みをｗτｅとすると、重み列ベクトルＷτ、連立１次方程式は、次のように表される。
【００５５】
【数１２】
以上の手順で計算された重み１０４を用いて、指向性形成器１０３は、端末＃τ用にＳＩＮＲが最大化された希望信号推定値（複素数）３１５を生成する。詳細には、全てのアンテナ素子からのデジタル複素ベースバンド信号３１３に、それぞれ対応する重みを乗算し、これらの積を全て加算する。アンテナ素子ｅからのデジタル複素ベースバンド信号をｙｅ（ｔ）とすると、希望信号推定値ｚτ（ｔ）は、次のように表される。
【００５７】
【数１３】
複素インパルス応答推定器１０１は、デジタル複素ベースバンド信号３１３を逆拡散及び同期加算することによって、通信中の端末（ここでは＃０、＃１、＃２）との間の伝搬路の複素インパルス応答１０２を推定する。構成を図３に示す。
通信中の端末それぞれに対して、逆拡散器５０１にて、逆拡散及び同期加算を行う。これによって、デジタル複素ベースバンド信号３１３のサンプリング周期Ｔｓａと同じサンプリング周期を持つ複素インパルス応答５０２が得られる。これらを整形器５０３で適切に処理し、チップ長Ｔｃをサンプリング周期とする複素インパルス応答１０２を生成する。またこの際、相互相関ベクトル発生器１２３が必要としている希望パスの遅延時間κτも求める。
【００５９】
端末＃Ｔ用の逆拡散器５０１を図４に示す。アンテナ素子分の逆拡散器６０１から構成される。アンテナ素子ｅからのデジタル複素ベースバンド信号３１３は、対応する逆拡散器６０１に入り、端末＃Ｔの送信機においてパイロット信号の拡散を行った擬似雑音系列２０９に対応する整合炉波器６１１を通る。この結果、擬似雑音系列の周期時間Ｐｐ・Ｔｃ毎にトラフィック信号が未だ十分抑圧されていない複素インパルス応答６１２が出力される。これを擬似雑音系列の周期時間毎に分配器６１３で重ね合わせてゆき、積分器６１４によって同期的に加算してゆくと、トラフィック信号が抑圧された複素インパルス応答６１５が得られる。
【００６０】
図５はこの処理を概念的に表したものである。デジタル複素ベースバンド信号３１３のオーバーサンプリング数をＮｏｓ（＝Ｔｃ／Ｔｓａ）とすると、擬似乱数系列の周期時間Ｐｐ・Ｔｃの間にはＮｏｓ・Ｐｐ個のサンプルが存在するので、積分器６１４はこの数だけ存在する。Ｎｏｓ・Ｐｐ個の積分器６１４の出力を順にｇＴ ｅ（０・Ｔｓａ）、ｇＴ ｅ（１・Ｔｓａ）、ｇＴ ｅ（２・Ｔｓａ）、．．．、ｇＴ ｅ（（Ｎｏｓ・Ｐｐ−１）・Ｔｓａ）とすると、端末＃Ｔ、アンテナ素子ｅに対応する複素インパルス応答ｇＴ ｅ（ｎ・Ｔｓａ）ができる。
整形器５０３は複素インパルス応答５０２を利用可能な形に整形する。
【００６１】
図６はこの処理を概念的に表したものである。上の応答が処理前、下が処理後である。図中の１３１、１３２で示される個所のインパルス応答のレベルが高くなっているが、これはそれぞれ直接波、遅延波の信号成分に相当する。処理内容については、まず、最大電力を持つパス８０１を探す。次に最大電力を持つパスのチップタイミング８０４でチップ長毎に複素インパルス応答５０２を間引いてゆく。更に、間引いた値が雑音電力レベルに満たなければ、これを切り捨て、値を０とする。また、最大電力を持つパスの遅延時間を希望パスの遅延時間とする。以上を式で表すと次のようになる。
雑音レベル（実数）をＮｅとすると、次式で表される各パスの電力σＴ（ｎ・Ｔｓａ）を計算し、σＴ（ｎ・Ｔｓａ）を最大にするｎ＝ｎＴ ｍａｘ（パスの遅延時間８０２）を求める。
【００６２】
【数１４】
整形器５０３処理後の複素インパルス応答ｈＴ ｅ（ｋ・Ｔｃ＋ｔ０Ｔ）（符号１０２）は以下のように表される。
【００６４】
【数１５】
ここでｔ０Ｔは最大電力を持つパスのチップタイミング８０４である。また、ＴＨはあらかじめ設定された閾値であり、本実施形態ではＴＨ＝Ｎｅｌｅ（＝４）である。このようにして計算したｈＴ ｅ（ｋ・Ｔｃ＋ｔ０Ｔ）を複素インパルス応答ｈＴ ｅ［ｋ］（符号１０２）として出力する。
最大電力を持つパスの遅延時間κＴ（パスの遅延時間８０３）は以下のように表される。
【００６６】
【数１６】
全端末の最大電力を持つパスの遅延時間κＴ（Ｔ＝０、１、２）のうち、端末＃τに対応する重みを計算するために、遅延時間κτ（τ＝０）を希望パスの遅延時間として相互相関ベクトル発生器１２３に渡す。
雑音レベルの求め方については後述する。
【００６８】
ダウンコンバート部３１２の構成を図７に示す。アンテナからの信号３１８は、各アンテナ素子用のダウンコンバート部９０１に入力され、増幅、周波数変換、Ａ／Ｄ変換、フィルタリング等が行われ、デジタル複素ベースバンド信号３１３として出力される。ダウンコンバート部９０１の中にはフィルタや、固定利得の増幅器のような固定利得を持つものと、ＡＧＣ増幅器のような可変利得を持つものがある。各アンテナ素子毎の可変利得を持つものの総利得は雑音推定器１０５に渡される。
雑音推定器１０５は、複素インパルス応答推定器１０１で用いられる雑音電力レベル１０６と、雑音用自己相関行列計算器１２２で用いられる参照信号対雑音電力比１０７を計算する。
【００６９】
複素インパルス応答推定器１０１で用いられるあるアンテナ素子に対応する雑音電力レベルは、対応するダウンコンバート部９０１の可変利得部の総利得とあらかじめ設定された定数の積として計算される。
あらかじめ設定された定数は、適当な端末＃Ｔの送信器のＲＦ出力の信号を減衰器を介して有線にて対応するアンテナ素子のアンテナ入力に入力し、デジタル複素ベースバンド信号３１３のトラフィックチャネルと雑音電力の比が１となるように減衰器を調整した場合、この時（設定時）の可変利得部の総利得の逆数と、（設定時の）複素インパルス応答の最大電力を持つパスの値の絶対値の二乗の積として算出する。
【００７０】
ダウンコンバート部９０１の可変利得部の総利得をＧｖ ｅ、設定時の総利得をＧ０ｖ ｅ、設定時複素インパルス応答の最大電力を持つパスの遅延時間をｎ０Ｔ ｍａｘとすると、あらかじめ設定された定数Ｎ０ｅ、雑音電力レベルＮｅ、設定時複素インパルス応答の最大電力を持つパスの値Ａ０ｅは次のように表される。
【００７１】
【数１７】
重み推定器１２０で用いられるあるアンテナ素子に対応する参照信号対雑音電力比は、対応するダウンコンバート部９０１の可変利得部の総利得の逆数とあらかじめ設定された定数の積として計算される。
あらかじめ設定された定数は、先に述べた設定時の可変利得部の総利得と、（設定時の）複素インパルス応答１０２の最大電力を持つパスの値の絶対値の二乗の逆数の積として算出する。
あらかじめ設定された定数ＤＮ０ｅ、参照信号対雑音電力比ＤＮｅは次のように表される。
【００７３】
【数１８】
従来方式と本実施形態の重み計算器の計算量を比較した図を図８、図９に示す。図８はアンテナ素子数Ｎｅｌｅ＝４の場合、図９は７の場合である。従来方式の重み計算アルゴリズムとしては、ＳＭＩ法とＲＬＳ法を取り上げた。有効パス数Ｌとは、全ての端末からの複素インパルス応答のうち、閾値ＴＨを超えたパスの数である。Ｌ＝１２の一例は、通信中の端末数が６端末で、各端末からのパスの数が２パスの場合に相当する。Ｌ＝４の一例は、２端末から２パスずつの場合に相当する。このような状況において、ある１端末に対する重みを計算する場合の計算量が縦軸である。ただし、複素数の加減乗除算、実数の加減乗除算すべてを計算量１としている。横軸はＳＭＩ法、ＲＬＳ法のアルゴリズムを実行する際、統計計算に必要となるサンプル数Ｎｓａである。
【００７５】
本実施形態は統計計算を行わないため、サンプル数という概念が無く、従ってグラフは横軸と平行な一定値となる。従来方式において、ＳＭＩ法や、ＲＬＳ法のサンプル数については、アレーアンテナの素子数の２倍以上とするのが一般的である。すなわちアンテナ素子数が、４、７のとき、それぞれ、８、１４以上としている。よって図８及び図９のグラフより、本発明によっておよそ６割以上計算量が削減されていることがわかる。
【００７６】
第１実施形態を説明する際、端末＃０、＃１、＃２が存在し、このうち端末＃０と通信を行うことを仮定していたが、図１５のように、端末＃６しか存在しない環境で、この端末＃６と通信を行うことも可能である。この場合は以下のような動作になる。複素インパルス応答推定器１０１は端末＃６との間の複素インパルス応答を推定し出力する。複素インパルス応答推定器１０１が最大３端末分の複素インパルス応答を出力することができるなら、残りの出力からは何も出力されない。図示されない上位層は端末＃６が存在していることを認識し、端末＃６と通信を行うために、端末＃６用の重みを重み推定器１２０に計算するように指示する。端末用自己相関行列計算器１２１は端末＃６用の自己相関行列を計算する。重み推定器がハードウエアのみで構成されており、考慮できる最大の端末が３個であり、端末用自己相関行列計算器１２１が３個備えられているならば、端末＃６用以外の２個の端末用自己相関行列計算器１２１は全ての要素が０である行列を出力する。ソフトウエアで処理しているならば、端末＃６用の自己相関行列のみしか計算しないことも可能である。自己相関行列計算器１２８が自己相関行列を計算する際用いる式［数１０］の第２項はＴ＝＃６に関して加算するのみである。このような場合、重み推定器１２０は、端末＃６からの希望パスの成分を信号成分Ｓ、それ以外のパスの成分を干渉成分Ｉ、雑音成分をＮとしたときの希望信号推定値３１５のＳＩＮＲ比を最大にすることを目標として重みを計算していることになる。計算した重みを用いたときのアレーアンテナの指向性は、例えば、反射波１３２の電力が最大で、これが希望パスとなる場合、概ね図１５のアンテナビームパターン１０８のように、反射波の到来方向に強い指向性を持ち、その他のパス（例えば直接波１３１）からの干渉信号の到来方向にヌルを持ったものとなる。
【００７７】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態について詳細を述べる。
本発明の第２実施形態は第１実施形態とほとんど同じである。異なる点は雑音用の自己相関行列計算器１２２である。第１実施形態において、伝搬路の状態が非常に良好な場合、アンテナ入力３１８に入力される受信信号の電力が大きくなるため、ＡＧＣが働き、ダウンコンバート部３１２の可変利得部の総利得９０２が小さくなり、従って、参照信号対雑音電力比の逆数が非常に小さくなる。自己相関行列計算器１２２はデジタル信号処理を行っており量子化誤差が存在するため、参照信号対雑音電力比の逆数がこれより小さな値になると切り捨てられて０となる場合がある。このような場合で、さらに、希望端末からの信号に遅延波がなく、希望端末以外の端末からの干渉波が無いような好条件が重なった場合、自己相関行列１２７の行列式があらかじめ与えられた設定値に満たなくなる場合がある。すると、連立１次方程式計算器１２５で採用される計算アルゴリズムによっては、計算される重み１０４が必ずしも最適な値とならず、絶好の通信条件を生かすことが出来なくなる恐れがある。以上のような事を防ぐために、第２実施形態ではあらかじめ微小な正の値を設定し、参照信号対雑音電力比の逆数がこれより小さくなった場合、この微小正値を代わりに用いる。
アンテナ素子ｅに対応する微小正値をεｅとすると、雑音用の自己相関行列のｅ行ｅ列の値ＲＮｏｉｓｅ ｘｘ（ｅ）は以下のように表される。
【００７８】
【数１９】
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態について詳細を述べる。
第１実施形態の干渉除去器（図１の３１４ａ）は、説明を簡略化するため、ある端末＃τの最大電力を持つパスに関する重み１０４だけを計算し、対応する希望信号推定値３１５を出力していた。第３実施形態は基本的には第１実施形態と同じであるが、より現実的な例である。第３実施形態の干渉除去器３１４ｂを図１０に示す。受信機は端末＃３、＃７、＃９を認識している。その内端末＃３、＃９と通信を行っている。端末＃７はさらに他の端末と通信しており、その際使用している電波が、端末＃３、＃９との通信の干渉となるため、干渉除去の対象としている。
【００８０】
第３実施形態は、２フィンガーのレイク受信機となっている。すなわち、端末＃３、＃９との通信においてそれぞれ、最大電力パスと第二電力パスに関して対応する希望信号推定値１２１１を算出し、これらを最大比合成器１２１２にてパスタイミングを調節した後、最大比合成を行い希望信号推定値１２１３として出力する。
【００８１】
重み推定器１２２０は、全ての希望端末の最大電力パスと第二電力パス用の重み１０４を計算する。
重み推定器の詳細図を図１１に示す。例として、希望端末＃３、＃９それぞれの最大電力パスの遅延時間が３１、９１、第二電力パスの遅延時間が３５、９８であるとする。これらの値は複素インパルス応答推定器１０１で推定される。これらの値が希望パスの遅延時間として重み推定器１２２０に渡される。重み推定器では、希望端末、希望パスに対応する相互相関ベクトル１２６を相互相関ベクトル発生器１２３で発生する。先の値を例とすると、希望端末＝＃３、希望パス＝最大電力パスについて発生させる場合、τ＝３、κ３＝３１というパラメーターを相互相関ベクトル発生器に与える。また、全端末は＃３、＃７、＃９であるというパラメーターを自己相関行列発生器１２８に与え、自己相関行列１２７を計算する。連立１次方程式計算器１２５では、希望端末＝＃３、希望パス＝最大電力パスについての相互相関ベクトル１２６と自己相関行列１２７から、対応する希望端末、希望パスの重みを計算する。同様の方法で、全ての希望端末の最大電力パスと第二電力パス用の重み１０４を計算する。
【００８２】
＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態について詳細を述べる。
第４実施形態は、通信の品質をあらかじめ推定するための通信シミュレーターであり、第１の実施形態と同じ機能がソフトウエアで構成されている。このソフトウエアを汎用計算器上で動作させる。このように本発明の重みの計算方法の実現手段は、ハードウエアに限定されない。
【００８３】
＜第５実施形態＞
本発明の第５実施形態について詳細を述べる。
第５実施形態は、地上波デジタル放送の受信機である。放送の受信機であるため、通信は行わず、受信するのみである。第１実施形態ではある端末からの信号を受信していたが、第５実施形態では図１６で示すように放送局１６０２から送信される信号を受信する。図１８で示すように受信機１６０１は第１の実施形態と同じく、複数のアンテナ素子から構成されるアダプティブアレーアンテナ３１１を搭載している。また同じく、複素インパルス応答推定器、重み推定器、指向性形成器を備える。そして第５実施形態では、指向性形成器から出力される希望信号推定値をＯＦＤＭ復調器１８０１に入力する。地上波デジタル放送の変調方式はＯＦＤＭ方式であり、受信信号をもとに放送局１６０２との間の複素インパルス応答を推定することができる。従って、第１実施形態が端末＃６と通信していた図１５に示す状況とおなじように、重み推定器で重みを計算することができる。また、同じように、受信機は直接波１３１や反射波１３２の内から最大の電力を持つパスを希望パスとして選択し、他のパスの成分を干渉とみなし、ＳＩＮＲを最大化するようにアダプティブアレーを制御する。ＯＦＤＭ方式は直接波のほかに反射波などの遅延波が存在する環境においても受信特性がよいが、アダプティブアレーアンテナを用いて受信することによって、さらに受信特性が良くなる。これによって、アダプティブアレーアンテナを用いていない受信機では受信できなかったエリアでも、受信が可能となる。
【００８４】
このように本発明は通信分野に限定されない。また、受信機が受信する信号を送信する送信機を備えているのは第１から第４実施形態のように端末に限らず、本実施形態のように放送局であることもあるし、また通信分野においては基地局であることもあり、特定されない。
【００８５】
＜第６実施形態＞
本発明の第６実施形態について詳細を述べる。
第６実施形態も、第５実施形態と同じく、地上波デジタル放送の受信機である。第６実施形態と異なる点は、放送の電波が主局１６０２から送信されると共に、この電波が中継局１６０３で中継されて送信される。このとき同じ周波数で中継されている。ＯＦＤＭ方式を用いると、同じ周波数で中継しても受信機で問題なく受信可能となり、地上波デジタル放送ではこのような中継方式も予定されている。このような状況で第５実施例とまったく同じ受信機１６０１で受信する。受信機中の複素インパルス応答推定器は複素インパルス応答を推定するが、このときあたかも１個の送信機から送信されているかのごとく複素インパルス応答が推定される。実際には図１７のように主局１６０２と中継局１６０３が存在するが、図１６のように中継局が存在せず、中継局からの電波が主局からの電波の反射波のように解釈される。またはこの逆で、主局が存在せず、主局からの電波が中継局からの電波の反射波のように解釈される。この解釈の違いは複素インパルス応答の時間の基準をどことみなすかに依存するだけの話であり、たいした違いではない。どちらにせよ受信機は同じように最大電力を持つパスを捕捉し、その他のパスを干渉とみなし、ＳＩＮＲ比が最大になるようにアダプティブアレーアンテナを制御する。図１７は、主局からの直接波１３１や図示されない反射波、中継局からの直接波１７１や図示されない反射波のうちから、最大電力をもつ主局からの直接波１３１を補足している様子を示している。
【００８６】
このように、複素インパルス応答推定器や重み推定器の認識している送信機（端末、基地局、放送局等）は実際の物理的な送信機を反映したものではない場合もある。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば、各端末の複素インパルス応答に基づいて計算された自己相関行列と希望端末、希望パスに関する相互相関ベクトルとから、希望端末、希望パスに関する重みを代数的に計算するので、統計的手法を用いることがなく、計算量を大幅に削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の干渉除去器を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態の連立１次方程式計算器を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態の複素インパルス応答推定器を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態の端末＃Ｔ用逆拡散器を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１実施形態の同期加算処理の概念図である。
【図６】本発明の第１実施形態の整形器の処理の概念図である。
【図７】本発明の第１実施形態のダウンコンバート部を示すブロック図である。
【図８】アンテナ素子数が４の場合の重み計算器の計算量を示す特性図である。
【図９】アンテナ素子数が７の場合の重み計算器の計算量を示す特性図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の干渉除去器を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第３実施形態の重み推定器を示すブロック図である。
【図１２】デジタル無線通信の送信機を示すブロック図である。
【図１３】デジタル無線通信の受信機を示すブロック図である。
【図１４】従来方式の干渉除去器を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第１実施形態の干渉除去器を示すブロック図であり、通信相手が端末＃６のみの場合である。
【図１６】本発明の第５実施形態の受信環境を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第６実施形態の受信環境を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第５、６実施形態である地上波デジタル放送の受信機を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０１ 複素インパルス応答推定器
１０２ 複素インパルス応答
１０３ 指向性形成器
１０４ 重み
１０５ 雑音推定器
１０６ 雑音電力レベル
１０７ 参照信号対雑音電力比
１０８ アンテナビームパターン
１２０ 重み推定器
１２１ 端末用自己相関行列計算器
１２２ 雑音用自己相関行列計算器
１２３ 相互相関ベクトル発生器
１２４ 行列加算器
１２５ 連立１次方程式計算器
１２６ 相互相関ベクトル
１２８ 自己相関行列計算器
１３１ 直接波
１３２ 反射波
２０１ トラフィックチャネル
２０２ パイロットチャネル
２０３ ＱＰＳＫ信号発生器
２０４ Ｗａｌｓｈ関数発生器
２０５ 乗算器
２０６ 加算器
２０７ 擬似雑音系列発生器
２０８ 乗算器
２０９ 擬似雑音系列
２１０ Ｗａｌｓｈ関数
３００ 端末＃０
３０１ 端末＃１
３０２ 端末＃２
３１１ アレーアンテナ
３１２ ダウンコンバート部
３１３ デジタル複素ベースバンド信号
３１４ 干渉除去器
３１５ 希望信号推定値
３１６ 逆拡散器
３１７ 判定器
４２０ 重み推定器
４２１ 擬似送信信号発生器
４２２ 擬似送信信号
４２３ 擬似受信信号発生器
４２４ 雑音加算器
４２５ 擬似受信信号
４２６ フィルタ
４２７ 重み計算器
４２８ 擬似送信信号
４２９ 自己相関行列計算器
４３０ 相互相関ベクトル計算器
４３１ 連立１次方程式計算器
５０１ 逆拡散器
５０２ 整形前の複素インパルス応答
５０３ 整形器
６０１ アンテナ素子ｅ用逆拡散器
６１１ 整合炉波器
６１２ 同期加算前のインパルス応答
６１３ 分配器
６１４ 積分器
６１５ 同期加算後のインパルス応答
８０１ 最大電力を持つパス
８０２ 最大電力を持つパスの遅延時間
８０３ 最大電力を持つパスの遅延時間
８０４ チップタイミング
９０１ アンテナ素子ｅ用ダウンコンバート部
９０２ 可変処理部の総利得
１２０１ 逆行列計算器
１２０２ 乗算器
１２０３ 例外時重み発生器
１２０４ セレクタ
１２１１ 希望信号推定値
１２１２ 最大比合成器
１２１３ 希望信号推定値
１２２０ 重み推定器
１６０１ 地上波デジタル放送受信機
１６０２ 放送局（主局）
１６０３ 放送局（中継局）
１８０１ ＯＦＤＭ復調器
１８０２ 干渉除去器
Claims (14)
- １つまたは複数の送信機から送信された信号を受信する複数のアンテナ素子からなるアダプティブアレーアンテナに対応したデジタル複素ベースバンド信号に基づいて、各送信機の複素インパルス応答を推定して、該複素インパルス応答を用いて前記アダプティブアレーアンテナに対応する重みを推定する重み推定方法において、
各送信機の前記自己相関行列を計算するステップと、
希望送信機、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生させるステップと、
前記相互相関ベクトルと前記自己相関行列から、希望端末、希望パスに関する重みを計算するステップとを実行することを特徴とする重み推定方法。 - 前記相互相関ベクトル発生のステップでは、アンテナ素子ｅの希望送信機の複素インパルス応答の希望パスの遅延時間の値の複素共役をｅ行目に持つ希望送信機、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生することを特徴とする請求項１記載の重み推定方法。
- 前記自己相関行列計算のステップでは、
雑音の自己相関行列を計算し、
ある送信機の自己相関行列を計算し、
全送信機の自己相関行列を計算し、これらと雑音の自己相関行列を全て加算し、自己相関行列を計算することを特徴とする請求項１又は２記載の重み推定方法。 - 送信機の自己相関行列を計算する際には、アンテナ素子ｐの複素インパルス応答と、アンテナ素子ｑの複素インパルス応答との相互相関関数の原点の値をｐ行ｑ列に持つ自己相関行列を計算することを特徴とする請求項３記載の重み推定方法。
- 雑音の自己相関行列を計算する際には、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする請求項３又は４記載の重み推定方法。
- 雑音の自己相関行列を計算する際には、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数とあらかじめ設定された微小正値のうち大きな値をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする請求項３、４又は５記載の重み推定方法。
- １つまたは複数の送信機から送信された信号を受信する複数のアンテナ素子からなるアダプティブアレーアンテナに対応したデジタル複素ベースバンド信号に基づいて、各送信機の複素インパルス応答を推定して、該複素インパルス応答を用いて前記アダプティブアレーアンテナに対応する重みを推定する重み推定装置において、
各送信機の前記自己相関行列を計算する自己相関行列計算手段と、
希望送信機、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生させる相互相関ベクトル発生手段と、
前記相互相関ベクトルと前記自己相関行列から、希望端末、希望パスに関する重みを計算する連立１次方程式計算手段を備えたことを特徴とする重み推定装置。 - 前記相互相関ベクトル発生手段は、アンテナ素子ｅの希望送信機の複素インパルス応答の希望パスの遅延時間の値の複素共役をｅ行目に持つ希望送信機、希望パスに関する相互相関ベクトルを発生することを特徴とする請求項７記載の重み推定装置。
- 前記自己相関行列計算手段は、
雑音の自己相関行列を計算する雑音用自己相関行列計算手段と、
ある送信機の自己相関行列を計算する送信機用自己相関行列計算手段とを備え、
全送信機の自己相関行列を計算し、これらと雑音の自己相関行列を全て加算し、自己相関行列を計算することを特徴とする請求項７又は８記載の重み推定装置。 - 前記送信機用自己相関行列計算手段は、アンテナ素子ｐの複素インパルス応答と、アンテナ素子ｑの複素インパルス応答との相互相関関数の原点の値をｐ行ｑ列に持つ自己相関行列を計算することを特徴とする請求項９記載の重み推定装置。
- 前記雑音用自己相関行列計算手段は、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする請求項９又は１０記載の重み推定装置。
- 前記雑音用自己相関行列計算手段は、アンテナ素子ｅの参照電力対雑音電力比の逆数とあらかじめ設定された微小正値のうち大きな値をｅ行ｅ列に持ち、対角成分以外として０を持つ自己相関行列を計算することを特徴とする請求項９、１０又は１１記載の重み推定装置。
- 請求項７〜１２のいずれかの重み推定装置を備えた干渉除去装置。
- 請求項７〜１２のいずれかの重み推定装置を備えた受信機。
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