JP2004080604A

JP2004080604A - Method for estimating space angle spread and receiver

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Publication number: JP2004080604A
Application number: JP2002240475A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Amano; 天野　良晃; Takashi Inoue; 井上　隆; Hideyuki Shinonaga; 篠永　英之
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: JP4147864B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for easily efficiently estimating space angle spread which is a parameter for the directivity control (NULL width control) of the beam of an array antenna, and a receiver. <P>SOLUTION: The method comprises; a first stage of calculating a space angle spread function AS for which a value based on a characteristic value is a variable beforehand by using the probability density function a(θ,σ) of an optional space propagation path in which an arriving direction θ and the space angle spread σ are the variables; and a second stage of receiving a plurality of reception signals y by using the array antenna having a plurality of antenna elements N, respectively obtaining correlations for the plurality of reception signals y, forming the correlation matrix function R of an element number N<SP>2</SP>, performing the characteristic value decomposition of the correlation matrix R, calculating the characteristic value e having the elements of the antenna elements N, defining the value based on the characteristic value e as the variable of the space angle spread function AS and thus calculating the space angle spread σ. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陸上移動通信等において、電波伝搬路の空間角度広がりを推定する方法および受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信技術の設計には、電波伝搬路特性を考慮した検討が必要である。一般には、検討を効率的に進めるため、電波伝搬路特性の理論モデルを用い、実際の電波伝搬路特性よりパラメータを抽出し、検討を行う。そのため、電波伝搬路特性を測定・推定する技術は重要となっている。
【０００３】
従来の陸上移動通信技術等の検討には、電波伝搬路特性のうち、減衰特性や時間変動特性等を考慮すれば十分であった。しかし、アダプティブアレーアンテナ技術に代表される、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナを用いて空間次元を利用する陸上移動通信技術の検討には、電波伝搬路の空間特性を考慮する必要がある。
【０００４】
特に、アレーアンテナを用いて、送信でビームパターン制御を行う送信アダプティブアレー技術では、到来方向情報のみだけでなく、空間角度広がり情報も使用することにより、より効果的な制御を行うことができると期待される。
【０００５】
図９は、陸上移動通信の電波伝搬路の概要図である。
【０００６】
図９によれば、送信点から送信された信号は、建物等の反射および回折等により異なった複数の伝搬路（以下「多重伝搬路」という）を経由するため、受信点では到着時間および到来方向が異なった複数の信号（以下「多重波」という）が受信される。一般に、基地局で受信する多重波は、送信点方向を中心として広がりをもつため、電波伝搬路の空間特性は、統計的な中心到来方向（平均）および空間角度広がり（分散）で定義される。
【０００７】
電波伝搬路の空間特性のうち、到来方向の推定方法に関しては、アレーアンテナを用いたビームフォーマ法、ＭＵＳＩＣ法およびＥＳＰＲＩＴ法等すでに確立された方法が存在する。しかし、空間角度広がりの推定方法については、これまでにあまり検討されていない。
【０００８】
従来の空間角度広がりを測定する方法としては、今井哲郎、森慎一、「広帯域移動伝搬におけるパスの時間・空間分布特性」、２００２年電子情報通信学会総合大会Ｂ−１−２８、に記載されているものがある。この方法は、到来方向推定を用いて、多重波を構成する電波の到来方向を厳密に推定し、それらの統計分布広がりから分散を求め、空間角度広がりとするものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来方法では、多重波を時間的に高分解能で分離することが必要である。従って、検討している陸上移動通信システムで使用する最小周期の信号よりも高速な周期の信号を発生させることが可能な送信機および遅延プロファイル測定器が必要となる。
【００１０】
また、多重伝搬路は複雑であり、空間的に連続的な分布をもつため、多重波を構成する空間角度広がりを持たない電波を完全に分離して抽出することは非常に難しい。
【００１１】
そこで、本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためのものであり、アレーアンテナを用いた陸上移動通信システムの設計および送信ビーム制御（ＮＵＬＬ幅制御）のためのパラメータである空間角度広がりを、簡易でかつ効率的に推定することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の空間角度広がりを推定する方法によれば、
到来方向θおよび空間角度広がりσを変数とする任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを予め算出する第１の段階と、
複数のアンテナ素子Ｎを有するアレーアンテナを用いて複数の受信信号ｙを受信し、
複数の受信信号ｙについての相関をそれぞれ求めて、要素数Ｎ^２の相関行列関数Ｒを形成し、
相関行列Ｒを固有値分解して、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅを算出し、
固有値ｅに基づく値を空間角度広がり関数ＡＳの変数とすることにより、空間角度広がりσを算出する第２の段階と
を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の方法における他の実施形態によれば、第１の段階は、
確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）から受信信号ベクトルｙ’（σ）を算出し、
受信信号ベクトルｙ’（σ）から、空間角度広がりσを変数とし、要素数Ｎ^２の相関行列関数Ｒ’（σ）を算出し、
相関行列関数Ｒ’（σ）を固有値分解して、空間角度広がりσを変数とし、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅ（σ）を算出し、
固有値ｅ（σ）を逆関数とすることにより、固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを算出する
ことも好ましい。
【００１４】
また、本発明の方法における他の実施形態によれば、固有値に基づく値は、固有値のうち、最大の固有値ｅ_１ｓｔおよび２番目に大きい固有値ｅ_２ｎｄの比ｅ_１ｓｔ／ｅ_２ｎｄであることも好ましい。
【００１５】
本発明の空間角度広がりを推定する受信装置によれば、
複数のアンテナ素子Ｎを有するアレーアンテナと、
アレーアンテナによって受信された複数の受信信号ｙについての相関をそれぞれ求めて、要素数Ｎ^２の相関行列関数Ｒを形成する相関行列算出手段と、
相関行列Ｒを固有値分解して、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅを算出する固有値分解手段と、
到来方向θおよび空間角度広がりσを変数とする任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、予め算出した固有値に基づく空間角度広がり関数ＡＳを記憶する空間角度広がり関数記憶手段と、固有値に基づく値を空間角度広がり関数ＡＳに与えることにより、空間角度広がりσを算出する空間角度広がり推定値読み出し手段とを有する空間角度広がり推定手段と
を有することを特徴とする
【００１６】
本発明の受信装置における他の実施形態によれば、空間角度広がり関数記憶手段は、
確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）から、受信信号ベクトルｙ’（σ）を算出し、
受信信号ベクトルｙ’（σ）から、空間角度広がりσを変数とし、要素数Ｎ^２の相関行列関数Ｒ’（σ）を算出し、
相関行列関数Ｒ’（σ）を固有値分解して、空間角度広がりσを変数とし、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅ（σ）を算出し、
固有値ｅ（σ）を逆関数とすることにより、固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを記憶したものである
ことも好ましい。
【００１７】
また、本発明の受信装置における他の実施形態によれば、固有値に基づく値は、固有値のうち、最大の固有値ｅ_１ｓｔおよび２番目に大きい固有値ｅ_２ｎｄの比ｅ_１ｓｔ／ｅ_２ｎｄであることも好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下では、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態を実現する構成の説明図である。
【００２０】
図１によれば、１００は空間角度広がり推定用受信装置であり、１０１はＮ素子アレーアンテナを構成するアレーアンテナ素子（１）、１０２はアレーアンテナ素子（２）、１０３はアレーアンテナ素子（Ｎ）、１１１は直交復調器（１）、１１２は直交復調器（２）、１１３は直交復調器（３）、１２１は相関行列算出回路、１３１は固有値分解回路、１４１は空間角度広がり推定部である。
【００２１】
アレーアンテナ素子１０１〜１０３によって受信された信号は、それぞれ直交復調器１１１〜１１３に入力され、直交復調された後に、複素信号として出力される。ここでは、出力複素信号をまとめて、アレー受信信号ベクトルｙとする。
ｙ＝（ｙ_１，　ｙ_２，　．．．，　ｙ_Ｎ）
【００２２】
アレー受信信号ベクトルｙは、相関行列算出回路１２１に入力され、Ｎ^２の要素を持つ相関行列Ｒが算出される。相関行列Ｒのｉ行ｊ列目の要素ｒ_ｉｊは、次式で求められる。＊は、複素共役を表す。
ｒ_ｉｊ　＝　ｙ_ｉ　×　ｙ_ｊ ^＊
【００２３】
また、雑音電力の影響を軽減するため、最大パスと最小（雑音）パスの相関行列［Ｍ_Ｄ］と［Ｍ_Ｎ］を用いて、次式により実測相関行列Ｒ_{Ｔｒｉａｌ}を求めることもできる。
Ｒ_{Ｔｒｉａｌ}＝（［Ｍ_Ｄ］−［Ｍ_Ｎ］）
【００２４】
算出された相関行列Ｒ_{Ｔｒｉａｌ}は、固有値分解回路１３１に入力され、固有値分解によりアレーアンテナ素子数Ｎ個の固有値を要素にもつ固有値ベクトルｅが算出される。
ｅ＝（ｅ_１，　ｅ_２，　．．．，　ｅ_Ｎ）
【００２５】
相関行列Ｒの固有値分解は、受信信号を空間的に分割する。その固有値の大きさは、それぞれ対応する固有ベクトルでビーム形成をした場合に取り込まれる受信信号成分の電力に対応する。基地局で受信される信号は、移動局方向を中心とした角度広がりを伴う空間伝搬路となる。
【００２６】
そして、算出された固有値ベクトルｅは、空間角度広がり推定回路１４１に入力され、空間角度広がりが推定される。
【００２７】
以上において、アレーアンテナ素子１０１〜１０３の配置は、任意に設定させることができる。また、アレーアンテナ素子１０１〜１０３の出力から、相関行列算出回路までの電気長は、等しくなるように調節されている必要がある。
【００２８】
図２は、空間角度広がり推定回路１４１の構成図である。
【００２９】
２０１は第１・２固有値比算出回路、２１１は空間角度広がり関数、２２１は空間角度広がり推定値読出し回路である。
【００３０】
まず、固有値分解回路１３１から出力された固有値ベクトルｅは、第１・２固有値比算出回路２０１に入力される。第１・２固有値比算出回路２０１では、入力された固有値ベクトルｅから、最大固有値ｅ_１ｓｔ（以下「第１固有値」という）とｅ_２ｎｄ（以下「第２固有値」という）を抽出し、次式で与えられる第１・２固有値比ＲＥＶ_１２を算出する。
ＲＥＶ_１２＝　ｅ_１ｓｔ／ｅ_２ｎｄ
【００３１】
これにより、相関行列から求めた第１固有値ｅ_１ｓｔと第２固有値ｅ_２ｎｄの比ＲＥＶ_１２と空間角度広がりとの関係を導出することにより、実測データから角度広がりを推定することができる。第１固有ベクトルで形成されるビームパターンは、移動局方向にビームを形成する。また、第２固有ベクトルでは、第１固有値に含まれない受信信号成分を受信するようにビーム形成するため、移動局方向にヌルを形成し、その周辺にビームを形成する。
【００３２】
また、ＲＥＶ_１２は、雑音電力の影響を取り除くため、最小固有値ｅ_ｍｉｎを用いて次のように算出することもできる。
ＲＥＶ_１２　＝　（ｅ_１ｓｔ−ｅ_ｍｉｎ）／（ｅ_２ｎｄ−ｅ_ｍｉｎ）
【００３３】
算出された第１・２固有値比ＲＥＶ_１２は、空間角度広がり推定値読出し回路２２１に入力され、予め用意した第１・２固有値比ＲＥＶ_１２を変数とする空間角度広がり関数ＡＳ（ＲＥＶ_１２）記憶部２２１から、空間角度広がりを推定することができる。
【００３４】
図３は、空間角度広がり関数ＡＳを求めるフローチャートである。
【００３５】
（Ｓ３０１）空間伝搬路確率密度関数は、送信点方向を中心として、空間角度広がり推定用受信装置１００の位置を中心とした到来方向θおよび空間角度広がりσを変数にもつ、任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，　σ）を設定する。
【００３６】
（Ｓ３１１）ここで、到来方向θを変数にもつ受信周波数におけるアレーアンテナ素子１０１〜１０３の放射特性関数をベクトルとした、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）を用いる。
Ｄ（θ）＝（ｄ_１（θ），ｄ_２（θ），．．．，ｄ_Ｎ（θ））
【００３７】
（Ｓ３２１）アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）を用いて、空間角度広がりσを変数にもつアレー受信信号ベクトル関数ｙ’（σ）を算出する。
ｙ’（σ）＝（ｙ’_１（σ），ｙ’_２（σ），　．．．　，ｙ’_Ｎ（σ））
アレー受信信号ベクトル関数ｙ’（σ）のｎ番目の要素ｙ’_ｎ（σ）は、次式で求められる。
ｙ’_ｎ（σ）＝∫_θａ_ｎ（θ，　σ）・ｄ_ｎ（θ）ｄθ
【００３８】
（Ｓ３３１）次に、算出されたアレー受信信号ベクトル関数ｙ’（σ）より、空間角度広がりσを変数にもつＮ^２の要素を持つ相関行列関数Ｒ’（σ）を算出する。相関行列関数Ｒ’（σ）のｉ行ｊ列目の要素ｒ’_ｉｊ（σ）は、次式で求められる。
ｒ’_ｉｊ（σ）　＝　ｙ’_ｉ（σ）×ｙ’_ｊ ^＊（σ）
【００３９】
例えば、相関行列は次式により与えられる。
【数１】

ここで、Ａ（φ）は、空間特性の平均電力密度関数であり、移動局方向を中心として正規分布型に広がるモデルを仮定する。また、Ｖ（φ）はアンテナ素子放射特性ベクトル関数である。
【数２】

φ_０は到来信号の中心方向を表す。
【００４０】
（Ｓ３４１）算出された相関行列関数Ｒ’（σ）から、固有値分解により、空間角度広がりσを変数にもつアレーアンテナ素子数Ｎ個の固有値を要素にもつ固有値ベクトル関数ｅ’（σ）を算出する。
ｅ’（σ）＝（ｅ’_１（σ），ｅ’_２（σ），　．．．　，ｅ’_Ｎ（σ））
【００４１】
（Ｓ３５１）そして、算出された固有値ベクトル関数ｅ’（σ）から、第１固有値関数ｅ’_１ｓｔ（σ）と第２固有値関数ｅ’_２ｎｄ（σ）を抽出し、次式で与えられる空間角度広がりσを変数にもつ第１・２固有値比関数ＲＥＶ_１２’（σ）を算出する。
ＲＥＶ_１２’（σ）　＝　ｅ’_１ｓｔ（σ）／ｅ’_２ｎｄ（σ）
【００４２】
（Ｓ３６１）算出した第１・２固有値比関数ＲＥＶ_１２’（σ）は、空間角度広がりσを変数としているため、第１・２固有値比ＲＥＶ_１２を変数とすることにより、角度広がり関数ＡＳ（ＲＥＶ_１２）を求めることができる。
【００４３】
図４は、送信点方向を中心として正規分布をする空間伝搬路の分布関数を表すグラフである。
【００４４】
図４によれば、図３で設定した任意な空間伝搬路の分布関数ａ（θ，σ）の一例として、空間伝搬路の分布関数を、送信点を０°、空間角度広がりσ＝３，５，７°の場合が示されている。ここで、本発明では、送信点方向に関する情報は不要である。
【００４５】
図５は、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルの振幅特性関数の一例である。縦軸は振幅を示し、横軸は方角を示す。
【００４６】
図６は、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルの位相特性関数の一例である。縦軸は位相を示し、横軸は方角を示す。
【００４７】
図５及び図６は、アレーアンテナに２素子のオムニアンテナを用いた場合であるが、本発明では、任意のアレーアンテナについて適用できる。
【００４８】
前述した本発明の実施形態によれば、本発明の技術思想および見地の範囲の種々の変更、修正および省略は、当業者によれば容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲およびその均等物として限定するものにのみ制約される。
【００４９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、空間角度広がりを簡易でかつ効率的に推定することことができるので、アレイアンテナのビームの適切な指向性制御が可能となる。
【００５０】
以下では、本発明の効果を実測データに基づいて説明する。
【００５１】
スマートアンテナフィールド実験で取得した実測相関行列データを用いて、第１、２固有値の比を指標とし、角度広がりを推定した。フィールド実験のエリアは、低層の建物が立ち並ぶ住宅街である。アレーアンテナを備えたスマートアンテナテストベット基地局（以下「ＢＳ」という）は、地上２６ｍの位置に設置した。アレーアンテナは、６素子半円弧型アレーアンテナ（１２素子円形の半分）であって、カバーエリア１８０°の中心を真南方向に向けた。
【００５２】
そして、移動局は走行させ、ＢＳにおける受信信号の相関行列を測定した。相関行列は、アンテナ素子毎の逆拡散信号を累積平均した信号から算出され、最大７パス毎に取得できる。本データは、累積周期を１．５秒とした場合のデータである。
【００５３】
図７は、図１にＲＥＶ_１２対する実験データの累積確率分布および解析式の角度広がり特性を示すグラフである。累積確率５０％のとき、角度広がりが約４°と推定できる。
【００５４】
図８は、図１の２つの特性より、角度広がりの累積確率分布を求めたグラフである。累積確率１０〜９０％の範囲で、角度広がりが３°〜７°であると推定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による無線装置の構成図である。
【図２】図１の空間角度広がり推定部１４１の詳細な構成図である。
【図３】図２の角度広がり関数２２１の詳細なフローチャート図である。
【図４】空間伝搬路の分布関数ａ（θ，σ）の一例である。
【図５】アレーアンテナ放射特性関数ベクトルの振幅特性関数の一例である。
【図６】アレーアンテナ放射特性関数ベクトルの位相特性関数の一例である。
【図７】ＲＥＶ_１２対する実験データの累積確率分布および解析式の角度広がり特性を示すグラフである。
【図８】図７の２つの特性より、角度広がりの累積確率分布を求めたグラフである。
【図９】陸上移動通信の電波伝搬路の一例である。
【符号の説明】
１００　空間角度広がり推定用受信装置
１０１　Ｎ素子アレーアンテナ
１１１、１１２、１１３　直交復調器
１２１　相関行列算出回路
１３１　固有値分解回路
１４１　空間角度広がり推定部
２０１　第１・２固有値比算出回路
２１１　空間角度広がり推定値読出し回路
２２１　空間角度広がり関数記憶部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for estimating a spatial angle spread of a radio wave propagation path in land mobile communication and the like.
[0002]
[Prior art]
In the design of wireless communication technology, it is necessary to consider radio wave propagation path characteristics. In general, in order to proceed with the examination efficiently, a parameter is extracted from an actual radio wave propagation path characteristic using a theoretical model of the radio wave propagation path characteristic, and the examination is performed. For this reason, techniques for measuring and estimating radio wave propagation path characteristics are important.
[0003]
For the study of the conventional land mobile communication technology and the like, it was sufficient to consider the attenuation characteristic and the time variation characteristic among the radio wave propagation path characteristics. However, it is necessary to consider the spatial characteristics of the radio wave propagation path when examining land mobile communication technology that uses spatial dimensions using an array antenna composed of multiple antenna elements, as represented by adaptive array antenna technology. .
[0004]
In particular, in the transmission adaptive array technology that performs beam pattern control in transmission using an array antenna, not only the arrival direction information but also the spatial angle spread information can be used to perform more effective control. Be expected.
[0005]
FIG. 9 is a schematic diagram of a radio wave propagation path for land mobile communication.
[0006]
According to FIG. 9, a signal transmitted from a transmission point passes through a plurality of different propagation paths (hereinafter, referred to as “multiple propagation paths”) due to reflection and diffraction of a building or the like. A plurality of signals having different directions (hereinafter, referred to as “multiplexed waves”) are received. Generally, a multiplex wave received by a base station has a spread centered on a transmission point direction, and thus the spatial characteristics of a radio wave propagation path are defined by a statistical center arrival direction (average) and a spatial angle spread (dispersion). .
[0007]
Among the spatial characteristics of the radio wave propagation path, as for the method of estimating the direction of arrival, there are already established methods such as a beamformer method using an array antenna, a MUSIC method, and an ESPRIT method. However, a method of estimating the spatial angle spread has not been studied so far.
[0008]
Conventional methods for measuring the spatial angular spread are described in Tetsuro Imai and Shinichi Mori, "Time-spatial distribution characteristics of paths in broadband mobile propagation," IEICE General Conference, B-1-28, 2002. There is something. In this method, the direction of arrival of radio waves constituting a multiplex wave is strictly estimated using direction-of-arrival estimation, and variance is obtained from the statistical distribution spread to obtain spatial angle spread.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method, it is necessary to separate multiple waves with high resolution in time. Therefore, there is a need for a transmitter and a delay profile measuring device capable of generating a signal having a cycle faster than the minimum cycle signal used in the land mobile communication system under consideration.
[0010]
In addition, since the multiplex propagation path is complicated and has a spatially continuous distribution, it is very difficult to completely separate and extract radio waves that do not have a spatial angular spread that constitute the multiplex wave.
[0011]
Therefore, the present invention is to solve such a problem of the prior art, and is a parameter which is a parameter for a design and a transmission beam control (NULL width control) of a land mobile communication system using an array antenna. An object is to simply and efficiently estimate an angular spread.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the method for estimating the spatial angular spread of the present invention,
First, a spatial angle spread function AS having a value based on an eigenvalue as a variable is previously calculated using a probability density function a (θ, σ) of an arbitrary spatial propagation path having an arrival direction θ and a spatial angle spread σ as variables. Stages and
Receiving a plurality of received signals y using an array antenna having a plurality of antenna elements N;
Seeking respective correlations for a plurality of received signals y, to form a correlation matrix function R number of elements N ^2,
Eigenvalue decomposition of the correlation matrix R to calculate an eigenvalue e having an element of the antenna element N,
A second step of calculating a spatial angular spread σ by using a value based on the eigenvalue e as a variable of the spatial angular spread function AS.
[0013]
According to another embodiment of the method of the present invention, the first step comprises:
Using a probability density function a (θ, σ), a received signal vector y ′ (σ) is calculated from an array antenna radiation characteristic function vector D (θ),
From the received signal vector y ′ (σ), the correlation matrix function R ′ (σ) of the number of elements N ² is calculated using the spatial angular spread σ as a variable,
The eigenvalue decomposition of the correlation matrix function R ′ (σ) is performed, and the eigenvalue e (σ) having the element of the antenna element N is calculated using the spatial angle spread σ as a variable,
It is also preferable to calculate the spatial angle spread function AS using the value based on the eigenvalue as a variable by making the eigenvalue e (σ) the inverse function.
[0014]
Also, according to another embodiment of the method of the present invention, a value based on the eigenvalues, it is also preferred among the eigenvalues, the ratio _{_e} 1st _/ _e _2nd largest eigenvalue _{e 1st} and the second largest eigenvalue _{e 2nd} .
[0015]
According to the receiver for estimating the spatial angle spread of the present invention,
An array antenna having a plurality of antenna elements N;
The correlation for the plurality of received signals y received by the array antenna respectively determined, and correlation matrix calculating means for forming a correlation matrix function R number of elements N ^2,
Eigenvalue decomposition means for eigenvalue decomposition of the correlation matrix R to calculate an eigenvalue e having an element of the antenna element N;
Spatial angle spread function storage for storing a spatial angle spread function AS based on eigenvalues calculated in advance, using a probability density function a (θ, σ) of an arbitrary space propagation path with the arrival direction θ and the spatial angle spread σ as variables A spatial angle spread estimating means having a spatial angle spread estimated value reading means for calculating a spatial angle spread σ by giving a value based on the eigenvalue to the spatial angle spread function AS. ]
According to another embodiment of the receiving device of the present invention, the spatial angle spread function storage means includes:
Using a probability density function a (θ, σ), a received signal vector y ′ (σ) is calculated from an array antenna radiation characteristic function vector D (θ),
From the received signal vector y ′ (σ), the correlation matrix function R ′ (σ) of the number of elements N ² is calculated using the spatial angular spread σ as a variable,
The eigenvalue decomposition of the correlation matrix function R ′ (σ) is performed, and the eigenvalue e (σ) having the element of the antenna element N is calculated using the spatial angle spread σ as a variable,
It is also preferable that the eigenvalue e (σ) is stored as an inverse function so that the space angle spread function AS having a value based on the eigenvalue as a variable is stored.
[0017]
Also, according to another embodiment of the receiver of the present invention, a value based on the eigenvalues of the eigenvalues, also the ratio _{_e} 1st _/ _e _2nd largest eigenvalue _{e 1st} and the second largest eigenvalue _{e 2nd} preferable.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration for realizing the first embodiment of the present invention.
[0020]
According to FIG. 1, reference numeral 100 denotes a receiver for estimating a spatial angle spread, 101 denotes an array antenna element (1) constituting an N-element array antenna, 102 denotes an array antenna element (2), and 103 denotes an array antenna element (N ), 111 denotes an orthogonal demodulator (1), 112 denotes an orthogonal demodulator (2), 113 denotes an orthogonal demodulator (3), 121 denotes a correlation matrix calculation circuit, 131 denotes an eigenvalue decomposition circuit, and 141 denotes a spatial angle spread estimating unit. is there.
[0021]
The signals received by the array antenna elements 101 to 103 are input to quadrature demodulators 111 to 113, respectively, and are output as complex signals after being quadrature demodulated. Here, the output complex signals are collectively referred to as an array received signal vector y.
y = (y ₁ , y ₂ ,..., y _N )
[0022]
Array received signal vector y is input to the correlation matrix calculator 121, the correlation matrix R with elements of N ² is calculated. The element r _{ij at} the i-th row and the j-th column of the correlation matrix R is obtained by the following equation. * Represents a complex conjugate.
r _ij = y _i × y _j ^*
[0023]
In addition, in order to reduce the influence of noise power, the actually measured correlation matrix R _Trial can be obtained by the following equation using the correlation matrices [M _D ] and [M _N ] of the maximum path and the minimum (noise) path.
_{_{R Trial = ([M D]}} - [M N])
[0024]
The calculated correlation matrix R _Trial is input to the eigenvalue decomposition circuit 131, and an eigenvalue vector e having N elements of array antenna elements as elements is calculated by eigenvalue decomposition.
e = (e ₁ , e ₂ ,..., e _N )
[0025]
Eigenvalue decomposition of the correlation matrix R spatially divides the received signal. The magnitude of the eigenvalue corresponds to the power of the received signal component taken in when the beam is formed with the corresponding eigenvector. The signal received by the base station is a spatial propagation path with an angular spread centering on the mobile station.
[0026]
Then, the calculated eigenvalue vector e is input to the spatial angle spread estimating circuit 141, and the spatial angle spread is estimated.
[0027]
In the above, the arrangement of the array antenna elements 101 to 103 can be arbitrarily set. Further, the electrical length from the outputs of the array antenna elements 101 to 103 to the correlation matrix calculation circuit needs to be adjusted to be equal.
[0028]
FIG. 2 is a configuration diagram of the spatial angle spread estimation circuit 141.
[0029]
201 is a first / second eigenvalue ratio calculating circuit, 211 is a spatial angle spread function, and 221 is a spatial angle spread estimated value reading circuit.
[0030]
First, the eigenvalue vector e output from the eigenvalue decomposition circuit 131 is input to the first / second eigenvalue ratio calculation circuit 201. The first and second eigenvalue ratio calculation circuit 201 extracts a maximum eigenvalue e _1st (hereinafter, referred to as a “first eigenvalue”) and e _2nd (hereinafter, referred to as a “second eigenvalue”) from the input eigenvalue vector e. calculating a first-2 eigenvalue ratio _{REV 12} given by.
REV ₁₂ = e _1st / e _2nd
[0031]
Thereby, by deriving a relationship between the first eigenvalue e _1st and specific REV ₁₂ and the spatial angular spread of the second eigenvalue e _2nd determined from the correlation matrix, it is possible to estimate the angle spread from the measured data. The beam pattern formed by the first eigenvector forms a beam in the direction of the mobile station. In the second eigenvector, a beam is formed so as to receive a received signal component not included in the first eigenvalue, so that a null is formed toward the mobile station and a beam is formed around the null.
[0032]
REV ₁₂ can also be calculated as follows using the minimum eigenvalue e _{min in} order to remove the influence of noise power.
_{_{_{REV 12 = (e 1st -e min}}} ) / (e 2nd -e min)
[0033]
The calculated first / second eigenvalue ratio REV ₁₂ is input to the spatial angle spread estimated value reading circuit 221 and is stored with a spatial angle spread function AS (REV ₁₂ ) using the previously prepared first / second eigenvalue ratio REV ₁₂ as a variable. From the unit 221, the spatial angular spread can be estimated.
[0034]
FIG. 3 is a flowchart for obtaining the spatial angle spread function AS.
[0035]
(S301) The spatial propagation path probability density function is an arbitrary spatial propagation path having, as variables, an arrival direction θ and a spatial angle spread σ centered on the position of the spatial angle spread estimating receiver 100 with the transmission point direction as the center. Is set as the probability density function a (θ, σ).
[0036]
(S311) Here, an array antenna radiation characteristic function vector D (θ) is used in which the radiation characteristic functions of the array antenna elements 101 to 103 at the reception frequency having the arrival direction θ as a variable are vectors.
D (θ) = (d ₁ (θ), d ₂ (θ),..., D _N (θ))
[0037]
(S321) Using the array antenna radiation characteristic function vector D (θ), an array reception signal vector function y ′ (σ) having the spatial angular spread σ as a variable is calculated.
y ′ (σ) = (y ′ ₁ (σ), y ′ ₂ (σ),..., y ′ _N (σ))
The n-th element y ′ _n (σ) of the array received signal vector function y ′ (σ) is obtained by the following equation.
_{y 'n (σ) = ∫} θ a n (θ, σ) · d n (θ) dθ
[0038]
(S331) Next, 'from (sigma), correlation matrix function R with elements of N ² with spatial angular spread sigma variable' calculated array received signal vector function y calculates a (sigma). The element r ′ _ij (σ) of the i-th row and the j-th column of the correlation matrix function R ′ (σ) is obtained by the following equation.
r ′ _ij (σ) = y ′ _i (σ) × y ′ _j ^* (σ)
[0039]
For example, the correlation matrix is given by:
(Equation 1)

Here, A (φ) is an average power density function of spatial characteristics, and assumes a model that spreads in a normal distribution type around the mobile station direction. V (φ) is an antenna element radiation characteristic vector function.
(Equation 2)

φ ₀ indicates the center direction of the incoming signal.
[0040]
(S341) From the calculated correlation matrix function R ′ (σ), an eigenvalue decomposition is performed to calculate an eigenvalue vector function e ′ (σ) having as elements N eigenvalues of the number of array antenna elements having a spatial angular spread σ as a variable. I do.
e ′ (σ) = (e ′ ₁ (σ), e ′ ₂ (σ),..., e ′ _N (σ))
[0041]
(S351) Then, a first eigenvalue function e ′ _1st (σ) and a second eigenvalue function e ′ _2nd (σ) are extracted from the calculated eigenvalue vector function e ′ (σ), and a spatial angle given by the following equation is obtained. The first / second eigenvalue ratio function REV ₁₂ ′ (σ) having the spread σ as a variable is calculated.
REV ₁₂ ′ (σ) = e ′ _1st (σ) / e ′ _2nd (σ)
[0042]
(S361) first and 2 eigenvalue ratio function _{REV 12} calculated '(sigma) is because of the spatial angular spread sigma variable, by the first-2 eigenvalue ratio _{REV 12} as a variable, angle spread function AS ( REV ₁₂ ).
[0043]
FIG. 4 is a graph showing a distribution function of a spatial propagation path having a normal distribution centering on a transmission point direction.
[0044]
According to FIG. 4, as an example of the distribution function a (θ, σ) of the arbitrary spatial propagation path set in FIG. 3, the distribution function of the spatial propagation path is expressed as follows: The case of 5, 7 ° is shown. Here, in the present invention, information on the transmission point direction is unnecessary.
[0045]
FIG. 5 is an example of an amplitude characteristic function of an array antenna radiation characteristic function vector. The vertical axis indicates the amplitude, and the horizontal axis indicates the direction.
[0046]
FIG. 6 is an example of a phase characteristic function of an array antenna radiation characteristic function vector. The vertical axis indicates the phase, and the horizontal axis indicates the direction.
[0047]
5 and 6 show the case where a two-element omni-antenna is used as the array antenna, the present invention can be applied to any array antenna.
[0048]
According to the embodiments of the present invention described above, various changes, modifications, and omissions of the scope of the technical idea and viewpoint of the present invention can be easily performed by those skilled in the art. The above description is merely an example and is not intended to be limiting. The invention is limited only as defined by the following claims and equivalents thereof.
[0049]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the spatial angular spread can be easily and efficiently estimated, so that appropriate directivity control of the beam of the array antenna becomes possible.
[0050]
Hereinafter, effects of the present invention will be described based on actually measured data.
[0051]
Using the measured correlation matrix data acquired in the smart antenna field experiment, the angle spread was estimated using the ratio of the first and second eigenvalues as an index. The field experiment area is a residential area with low-rise buildings. A smart antenna test bed base station (hereinafter, referred to as “BS”) equipped with an array antenna was installed at a position 26 m above the ground. The array antenna is a six-element semicircular array antenna (half of a twelve-element circle) with the center of the cover area 180 ° oriented in the south direction.
[0052]
Then, the mobile station was driven, and the correlation matrix of the received signal at the BS was measured. The correlation matrix is calculated from a signal obtained by cumulatively averaging the despread signal for each antenna element, and can be acquired for every seven paths at maximum. This data is data when the cumulative cycle is set to 1.5 seconds.
[0053]
FIG. 7 is a graph showing the cumulative probability distribution of the experimental data for REV ₁₂ and the angular spread characteristics of the analytical formula in FIG. When the cumulative probability is 50%, the angle spread can be estimated to be about 4 °.
[0054]
FIG. 8 is a graph showing the cumulative probability distribution of the angular spread from the two characteristics shown in FIG. It can be estimated that the angular spread is 3 ° to 7 ° within the range of the cumulative probability of 10 to 90%.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a wireless device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a detailed configuration diagram of a spatial angle spread estimation unit 141 in FIG.
FIG. 3 is a detailed flowchart of the angle spread function 221 of FIG. 2;
FIG. 4 is an example of a distribution function a (θ, σ) of a spatial propagation path.
FIG. 5 is an example of an amplitude characteristic function of an array antenna radiation characteristic function vector.
FIG. 6 is an example of a phase characteristic function of an array antenna radiation characteristic function vector.
FIG. 7 is a graph showing a cumulative probability distribution of experimental data for REV ₁₂ and an angular spread characteristic of an analytical expression.
8 is a graph in which a cumulative probability distribution of angular spread is obtained from the two characteristics in FIG.
FIG. 9 is an example of a radio wave propagation path for land mobile communication.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 100 Spatial angle spread estimation receiving apparatus 101 N-

element array antennas

111, 112, 113 Quadrature demodulator 121 Correlation matrix calculation circuit 131 Eigenvalue decomposition circuit 141 Spatial angle spread estimation section 201 First and second eigenvalue ratio calculation circuit 211 Spatial angle spread estimation Value reading circuit 221 Spatial angle spread function storage unit

Claims

到来方向θおよび空間角度広がりσを変数とする任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを予め算出する第１の段階と、
複数のアンテナ素子Ｎを有するアレーアンテナを用いて複数の受信信号ｙを受信し、
前記複数の受信信号ｙについての相関をそれぞれ求めて、要素数Ｎ^２の相関行列関数Ｒを形成し、
前記相関行列Ｒを固有値分解して、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅを算出し、
前記固有値ｅに基づく値を前記空間角度広がり関数ＡＳの変数とすることにより、空間角度広がりσを算出する第２の段階と
を有することを特徴とする空間角度広がりを推定する方法。First, a spatial angle spread function AS having a value based on an eigenvalue as a variable is previously calculated using a probability density function a (θ, σ) of an arbitrary spatial propagation path having an arrival direction θ and a spatial angle spread σ as variables. Stages and
Receiving a plurality of received signals y using an array antenna having a plurality of antenna elements N;
Seeking respective correlation for the plurality of received signals y, to form a correlation matrix function R number of elements N ^2,
Eigenvalue decomposition of the correlation matrix R to calculate an eigenvalue e having an element of the antenna element N;
A second step of calculating a spatial angle spread σ by using a value based on the eigenvalue e as a variable of the spatial angle spread function AS.

前記第１の段階は、
前記確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）から受信信号ベクトルｙ’（σ）を算出し、
前記受信信号ベクトルｙ’（σ）から、空間角度広がりσを変数とし、要素数Ｎ^２の相関行列関数Ｒ’（σ）を算出し、
前記相関行列関数Ｒ’（σ）を固有値分解して、空間角度広がりσを変数とし、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅ（σ）を算出し、
前記固有値ｅ（σ）を逆関数とすることにより、前記固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の空間角度広がりを推定する方法。The first step is
Using the probability density function a (θ, σ), a received signal vector y ′ (σ) is calculated from the array antenna radiation characteristic function vector D (θ),
From the received signal vector y ′ (σ), a spatial matrix spread σ is used as a variable to calculate a correlation matrix function R ′ (σ) of the number of elements N ² ,
Eigenvalue decomposition of the correlation matrix function R ′ (σ) is performed, and an eigenvalue e (σ) having an element of the antenna element N is calculated using the spatial angular spread σ as a variable,
The method for estimating a spatial angular spread according to claim 1, wherein a spatial angular spread function AS having a value based on the eigenvalue as a variable is calculated by making the eigenvalue e (σ) an inverse function.

前記固有値に基づく値は、前記固有値のうち、最大の固有値ｅ_１ｓｔおよび２番目に大きい固有値ｅ_２ｎｄの比ｅ_１ｓｔ／ｅ_２ｎｄであることを特徴とする請求項１または２に記載の空間角度広がりを推定する方法。Value based on the eigenvalues of the eigenvalue spread spatial angle according to claim 1 or 2, characterized in that the ratio _{_e} 1st _/ _e _2nd largest eigenvalue _{e 1st} and the second largest eigenvalue _{e 2nd} How to estimate.

複数のアンテナ素子Ｎを有するアレーアンテナと、
前記アレーアンテナによって受信された複数の受信信号ｙについての相関をそれぞれ求めて、要素数Ｎ^２の相関行列関数Ｒを形成する相関行列算出手段と、
前記相関行列Ｒを固有値分解して、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅを算出する固有値分解手段と、
到来方向θおよび空間角度広がりσを変数とする任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、予め算出した固有値に基づく空間角度広がり関数ＡＳを記憶する空間角度広がり関数記憶手段と、前記固有値に基づく値を前記空間角度広がり関数ＡＳに与えることにより、空間角度広がりσを算出する空間角度広がり推定値読み出し手段とを有する空間角度広がり推定手段と
を有することを特徴とする空間角度広がりを推定する受信装置。An array antenna having a plurality of antenna elements N;
Seeking respective correlations for a plurality of received signals y received by the array antenna, a correlation matrix calculating means for forming a correlation matrix function R number of elements N ^2,
Eigenvalue decomposition means for eigenvalue decomposition of the correlation matrix R to calculate an eigenvalue e having an element of the antenna element N;
Spatial angle spread function storage for storing a spatial angle spread function AS based on eigenvalues calculated in advance, using a probability density function a (θ, σ) of an arbitrary space propagation path with the arrival direction θ and the spatial angle spread σ as variables Means, and a spatial angle spread estimation means having a spatial angle spread estimation value reading means for calculating a spatial angle spread σ by giving a value based on the eigenvalue to the spatial angle spread function AS. Receiver for estimating spatial angular spread.

空間角度広がり関数記憶手段は、
前記確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）から、受信信号ベクトルｙ’（σ）を算出し、
前記受信信号ベクトルｙ’（σ）から、空間角度広がりσを変数とし、要素数Ｎ^２の相関行列関数Ｒ’（σ）を算出し、
前記相関行列関数Ｒ’（σ）を固有値分解して、空間角度広がりσを変数とし、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅ（σ）を算出し、
前記固有値ｅ（σ）を逆関数とすることにより、前記固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを記憶したものである
ことを特徴とする請求項１に記載の空間角度広がりを推定する受信装置。The space angle spread function storage means,
Using the probability density function a (θ, σ), a received signal vector y ′ (σ) is calculated from the array antenna radiation characteristic function vector D (θ),
From the received signal vector y ′ (σ), a spatial matrix spread σ is used as a variable to calculate a correlation matrix function R ′ (σ) of the number of elements N ² ,
Eigenvalue decomposition of the correlation matrix function R ′ (σ) is performed, and an eigenvalue e (σ) having an element of the antenna element N is calculated using the spatial angular spread σ as a variable,
2. The spatial angle spread according to claim 1, wherein a spatial angular spread function AS having a value based on the eigenvalue as a variable is stored by making the eigenvalue e (σ) an inverse function. 3. Receiving device.

前記固有値に基づく値は、前記固有値のうち、最大の固有値ｅ_１ｓｔおよび２番目に大きい固有値ｅ_２ｎｄの比ｅ_１ｓｔ／ｅ_２ｎｄであることを特徴とする請求項４または５に記載の空間角度広がりを推定する受信装置。Value based on the eigenvalues of the eigenvalue spread spatial angle according to claim 4 or 5, characterized in that the ratio _{_e} 1st _/ _e _2nd largest eigenvalue _{e 1st} and the second largest eigenvalue _{e 2nd} Receiver for estimating.