JP2010133905A - 無線装置及び電波到来方向推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送効率を劣化させることなく電波の到来方向を精度良く推定することができる。
【解決手段】メモリ部１３は、受信アンテナ１１で受信された受信信号の受信シンボルを格納する。ビット復調部１４は、受信シンボルからデータビットを復調する。レプリカシンボル生成部１５は、復調されたデータビットからレプリカシンボルを生成する。相互相関演算部１６は、メモリ部１３に格納された受信シンボルと、レプリカシンボル生成部１５により生成されたレプリカシンボルとの相互相関演算により相関値を算出する。電波到来方向算出部１７は、各受信アンテナ１１に対応する相互相関演算部１６により算出された相関値から電波の到来方向を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の受信アンテナを用いて電波の到来方向を推定する無線装置及び電波到来方向推定方法に関する。

図４は、従来技術による無線装置１００の構成を示すブロック図である。無線装置１００は、複数の受信アンテナ１０１（Ａ１〜ＡＮ）と、受信アンテナ１０１に対応するシンボル受信部１０２（Ｓ１〜ＳＮ）と、各受信アンテナ１０１により受信された受信信号ｒ_１（ｔ）〜ｒ_Ｎ（ｔ）のデータ相関行列Ｒ_ｘｘを計算する相関行列演算部１０３と、データ相関行列Ｒ_ｘｘに基づいて電波の到来方向を推定する到来方向算出部１０４とを具備する。従来技術による電波到来方向推定方法では、各受信アンテナ１０１が受信した受信信号からデータ相関行列Ｒ_ｘｘを算出して電波の到来方向を推定する（例えば、非特許文献１参照）。なお、データ相関行列Ｒ_ｘｘは、Ｒ_ｘｘ＝Ｅ［ｒ（ｔ）ｒ（ｔ）^Ｈ］により算出される。ただし、ｒ（ｔ）＝［ｒ_１（ｔ），ｒ_２（ｔ），…，ｒ_Ｎ（ｔ）］^Ｔであり、^Ｔは転置を表す。また、Ｅ［・］はアンサンブル平均であり、^Ｈは複素共役転置である。

簡単のため、図５に示すように受信アンテナ１０１が２素子だった場合を例に電波到来方向の推定方法を説明する。図５に示すように、受信アンテナ１０１間の距離はｄであり、電波の波長はλである。また、Ｒ_ｘｘは、次の式（１）で表される。

ｒ_１（ｔ）ｒ_２（ｔ）^＊（もしくはｒ_１（ｔ）^＊ｒ_２（ｔ））から伝搬チャネルの位相差φ＝Ｈ_１Ｈ_２ ^＊（もしくはＨ_１ ^＊Ｈ_２）が求まる。次に、位相差φ＝２πＬ／λであるため、算出された位相差φから伝送経路差Ｌが求まる。なお、^＊は、複素共役であり、Ｈ_１、Ｈ_２は伝搬チャネルである。そして、電波到来方向θは、θ＝ａｒｃｓｉｎ（Ｌ／ｄ）により算出される。

また、送信シンボル列として既知のトレーニング系列を用いる方法がある。この方法では、到来方向推定前に、トレーニング系列を同相合成することによりＣＮＲ（搬送波対雑音比：Ｃｈａｎｎｅｌ ｖｓ． Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を向上して推定精度を向上させている。
菊間信良、"アレーアンテナによる適応信号処理（デジタル移動通信シリーズ）"、科学技術出版社、２００４年８月

しかしながら、非特許文献１に記載されている従来技術では、ＳＮＲ（信号対雑音比：Ｓｉｎｇｎａｌ ｖｓ． Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が低い場合には、到来方向推定精度が著しく劣化する、という問題がある。
上述した図５を例に説明する。ここで、ｒ_１（ｔ）＝Ｈ_１ｓ（ｔ）＋ｎ_１（ｔ）、ｒ_２（ｔ）＝Ｈ_２ｓ（ｔ）＋ｎ_２（ｔ）である。ｓ（ｔ）は送信信号であり、ｎ_１（ｔ）、ｎ_２（ｔ）は熱雑音である。このとき、ｒ_１（ｔ）ｒ_２（ｔ）^＊の演算において、ｒ_１（ｔ）ｒ_２（ｔ）^＊＝Ｈ_１Ｈ_２ ^＊｜ｓ（ｔ）｜^２＋Ｈ_１ｓ（ｔ）ｎ_１（ｔ）＋Ｈ_２ ^＊ｓ^＊（ｔ）ｎ_２ ^＊（ｔ）＋ｎ_１（ｔ）ｎ_２ ^＊（ｔ）である。よって、ＳＮＲが低くなるほどｎ_１（ｔ）ｎ_２ ^＊（ｔ）の項の影響を受けるため、到来方向推定精度が低下する。
一方、送信シンボル列としてトレーニング系列を用いる方法では、送信データ以外に既知のトレーニング系列を付与しなければならないため、オーバーヘッドが増大し伝送効率が悪化する、という問題がある。また、同じ帯域内に干渉波が存在した場合、到来方向推定精度が劣化する。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、伝送効率を劣化させることなく電波の到来方向を精度良く推定することができる無線装置及び電波到来方向推定方法を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、複数の受信アンテナ毎に受信された受信信号に基づいて送信元からの電波の到来方向を推定する無線装置において、前記受信アンテナで受信された受信信号の受信シンボルを格納するメモリ部と、前記受信シンボルからデータビットを復調するビット復調部と、前記ビット復調部により復調されたデータビットからレプリカシンボルを生成するレプリカシンボル生成部と、前記メモリ部に格納された前記受信シンボルと、前記レプリカシンボル生成部により生成された前記レプリカシンボルとの相互相関演算により相関値を算出する相互相関演算部と、各受信アンテナに対応する前記相互相関演算部により算出された相関値から電波の到来方向を算出する電波到来方向算出部と、を備えることを特徴とする無線装置である。

また、本発明の一態様は、複数の受信アンテナ毎に受信された受信信号に基づいて送信元からの電波の到来方向を推定する電波到来方向推定方法において、シンボル受信部が、前記受信アンテナで受信された受信信号の受信シンボルをメモリ部へ格納するステップと、ビット復調部が、前記受信シンボル列からデータビットを復調するステップと、レプリカシンボル生成部が、前記ビット復調部により復調されたデータビットからレプリカシンボルを生成するステップと、相互相関演算部が、前記メモリ部に格納された前記受信シンボルと、前記レプリカシンボル生成部により生成された前記レプリカシンボルとの相互相関演算により相関値を算出するステップと、電波到来方向算出部が、各受信アンテナに対応する前記相互相関演算部により算出された相関値から電波の到来方向を算出するステップと、を有することを特徴とする電波到来方向推定方法である。

レプリカシンボルとは、送信機がデータビット列から送信シンボルを生成したのと同じ手法によりデータビットから生成したシンボルである。このため、この発明によれば、レプリカシンボル列をトレーニングシンボル列とみなせるため、相互相関演算によるシンボルの同相合成が可能となる。これにより、送信機から無線装置にトレーニング信号を送信する必要がなくなるため、伝送効率を下げることなく電波の到来方向を精度良く推定することができる。また、本実施形態によれば、到来方向推定前にシンボル和を取っているため、シンボルの同相合成と相関値の低い干渉波との相互相関演算とを同時に行うことが可能になる。これにより、干渉波の影響を軽減して到来方向推定精度を向上させることができる。

また、本発明の一態様は、上記の無線装置において、前記受信シンボルの誤り判定を行う誤り判定部を備え、前記相互相関演算部は、前記誤り判定部による判定結果に基づく重み値で前記相関値の重み付けを行うことを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記の電波到来方向推定方法において、誤り判定部が、前記受信シンボルの誤り判定を行うステップを有し、前記誤り判定部による判定結果に基づく重み値で前記相関値の重み付けを行うことを特徴とする。

誤り判定部は、受信シンボルの誤り判定結果に応じた重み値を出力する。この発明によれば、誤り判定結果に基づく重み値で相関値の重み付けを行うため、雑音の影響を大きく受けた受信シンボルの重みを低くして電波の到来方向を算出することができる。つまり、雑音の影響が少ない受信シンボルを優先的に用いて到来方向を算出することができるため、到来方向推定精度を更に向上させることができる。

また、本発明の一態様は、上記の無線装置において、前記相互相関演算部は、前記誤り判定部により誤りありと判定された場合には重み値を０とすることを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記の電波到来方向推定方法において、前記受信シンボルに誤りありと判定した場合には相関値を０とすることを特徴とする。

この発明によれば、誤りがある受信シンボルを除いて電波到来方向を推定しているため、雑音の影響を大きく受けた受信シンボルでの到来方向推定を回避することができる。これにより、到来方向推定精度を更に向上させることができる。

本発明によれば、レプリカシンボル列をトレーニングシンボル列とみなせるため、相互相関演算によるシンボルの同相合成が可能となる。これにより、送信機から無線装置にトレーニング信号を送信する必要がなくなるため、伝送効率を下げることなく電波の到来方向を精度良く推定することができる。また、本実施形態によれば、到来方向推定前にシンボル和を取っているため、シンボルの同相合成と相関値の低い干渉波との相互相関演算とを同時に行うことが可能になる。これにより、干渉波の影響を軽減して到来方向推定精度を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による無線装置１０の構成を示すブロック図である。
図において、無線装置１０は、受信アンテナ１１と、シンボル受信部１２と、メモリ部１３と、ビット復調部１４と、レプリカシンボル生成部１５と、相互相関演算部１６との組合せをＮ組（Ｎは２以上の整数）と、電波到来方向算出部１７と、を含んで構成される。Ｎ素子の受信アンテナ１１は、アレー状に配置されている。
無線装置１０は、複数の受信アンテナ１１により受信された受信信号に基づいて、受信信号の電波の到来方向θを推定する装置である。到来方向θとは、受信アンテナ１１のアンテナ面に対して垂直方向に対する電波の到来方向の角度である。なお、メモリ部１３と、ビット復調部１４と、レプリカシンボル生成部１５と、相互相関演算部１６と、電波到来方向算出部１７とは、電子回路又は電気回路により実装される。

シンボル受信部１２は、対応する受信アンテナ１１が受信した受信信号ｒ_ｉ（ｔ）（ｉ＝１，２，…，Ｎ）の受信シンボルｒｓ_ｉ（ｎ）をビット復調部１４に出力するとともにメモリ部１３に受信シンボルｒｓ_ｉ（ｎ）を格納する。メモリ部１３は、受信シンボルｒｓ_ｉ（ｎ）を格納するメモリである。ビット復調部１４は、入力された受信シンボルｒｓ_ｉ（ｎ）からデータビットを復調して復調データビットｒｂ_ｉ（ｎ）を生成し、生成した復調データビットｒｂ_ｉ（ｎ）をレプリカシンボル生成部１５に出力する。レプリカシンボル生成部１５は、入力された復調データビットｒｂ_ｉ（ｎ）からレプリカシンボルｒｓ´_ｉ（ｎ）を生成して、生成したレプリカシンボルｒｓ´_ｉ（ｎ）を相互相関演算部１６に出力する。なお、レプリカシンボル生成部１５は、信号を送信した送信機がデータビット列から送信シンボルを生成したのと同じ手法によりレプリカシンボルｒｓ´_ｉ（ｎ）を生成する。受信シンボルｒｓ_ｉ（ｎ）とレプリカシンボルｒｓ´_ｉ（ｎ）とは同相であるため、これらを同相合成すると、雑音を除去したシンボルを得る事ができる。

相互相関演算部１６は、メモリ部１３に格納された受信シンボルｒｓ_ｉ（ｎ）を読み出し、読み出した受信シンボルｒｓ_ｉ（ｎ）とレプリカシンボル生成部１５により生成されたレプリカシンボルｒｓ´_ｉ（ｎ）とから相互相関演算を行い、相互相関値ｒｃ_ｉを算出する。具体的には、相互相関演算部１６は、次の式（２）から相互相関値ｒｃ_ｉを算出する。そして、相互相関演算部１６は、算出した相互相関値ｒｃ_ｉを電波到来方向算出部１７に出力する。なお、相互相関を取る範囲は、１シンボル毎でもよいし、数ミリ秒毎、数秒毎、数分から数十分毎、或いは数時間毎でもよい。

電波到来方向算出部１７は、各受信アンテナ１１に対応する相互相関演算部１６から入力された複数（Ｎ個）の相互相関値ｒｃ_１，ｒｃ_２，…，ｒｃ_Ｎに基づいて、電波の到来方向θを算出する。本実施形態では、到来方向推定方法としてＣＭＡ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ)を用いる。ＣＭＡでは、所望信号の包絡線が一定であるという性質に基づいて電波の到来方向を算出する。具体的には、まず、電波到来方向算出部１７は、評価関数ＱをＱ＝Ｅ［｜｜ｙ｜^ｐ−σ^ｐ｜^ｑ］とする。ここで、ｙ＝ｗ^Ｔｘであり、ｗ＝［ｗ_１，ｗ_２，…ｗ_Ｎ］^Ｔであり、ｘ＝［ｒｃ_１，ｒｃ_２，…，ｒｃ_Ｎ］^Ｔであり、ｗ_ｉはｉ番目の受信アンテナ１１のウェイトである。ウェイトとは、各受信アンテナ１１の受信信号を合成する際の重みである。σは、所望信号の包絡線値である。次に、電波到来方向算出部１７は、最急勾配法やマルカート法を用いて、評価関数が最小となるように各受信アンテナ１１のウェイトｗ_ｉを決定する。そして、電波到来方向算出部１７は、ウェイトｗ_ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）に基づきアンテナ指向性パターンにおけるピーク値の方向θを求め、この方向θを電波の到来方向とする。
なお、本実施形態では、到来方向推定方法としてＣＭＡを用いているが、ＭＭＳＥ(Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）やＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法など、複数のアンテナを用いて到来方向推定を行うあらゆる方法が考えられる。

このように、本実施形態によれば、レプリカシンボル列をトレーニングシンボル列とみなせるため、相互相関演算によるシンボルの同相合成が可能となる。これにより、送信機から無線装置１０にトレーニング信号を送信する必要がなくなるため、伝送効率を下げることなく電波の到来方向を精度良く推定することができる。また、本実施形態によれば、到来方向推定前にシンボル和を取っているため、シンボルの同相合成と相関値の低い干渉波との相互相関演算とを同時に行うことが可能になる。これにより、干渉波の影響を軽減して到来方向推定精度を向上させることができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図２は、第２の実施形態による無線装置２０の構成を示すブロック図である。
この図に示す無線装置２０は、図１に示す構成に加えてＮ個の誤り判定部２８が各受信アンテナ２１に対応して備えられており、相互相関演算部１６に代えて重み付け相互相関演算部２６が備えられている。

ビット復調部２４は、生成した復調データビットｒｂ_ｉ（ｎ）をレプリカシンボル生成部２５と誤り判定部２８に出力する。
誤り判定部２８は、入力された復調データビットｒｂ_ｉ（ｎ）について誤り判定を行い、その誤り判定結果Ｅｒ_ｉを重み付け相互相関演算部２６に出力する。本実施形態では、誤り判定部２８の誤り検出方法として、ＣＲＣ（巡回冗長検査：Ｃｙｃｌｉｃ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋｉｎｇ）を用いる。具体的には、誤り判定部２８は、復調データビットｒｂ_ｉ（ｎ）に付加された誤り検出符号の生成多項式で復調データビットｒｂ_ｉ（ｎ）を除算し、余りが０だった場合に誤りなし（つまり、Ｅｒ_ｉ＝１）とし、余りがある場合に誤りあり（つまり、Ｅｒ_ｉ＝０）とする。なお、本実施形態では巡回符号を用いたが、誤り検出方法は、パリティ符号などの伝送符号を用いても、ネットワークやアプリケーションからのフィードバックによるエラー通知でも良い。また、誤り検出の単位は、シンボル単位でもパケット単位でも構わない。

重み付け相互相関演算部２６は、入力された誤り判定結果Ｅｒ_ｉに基づく重み値から相関値に重み付けを行う。図３は、本実施形態における重み付け相互相関演算部２６の処理を説明するための概略図である。図に示すとおり、重み付け相互相関演算部２６は、次の式（３）により相互相関値ｒｃ_ｉを算出する。つまり、重み付け相互相関演算部２６は、誤り判定結果Ｅｒ_ｉを重み値とする。そして、重み付け相互相関演算部２６は、算出した相互相関値ｒｃ_ｉを電波到来方向算出部２７に出力する。なお、重み付け相互相関演算部２６は、誤り検出の単位に対応する相関値に重みを与える。

他の構成は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

このように、本実施形態によれば、誤りがある受信シンボルの相互相関値を０として電波到来方向算出部２７に出力しているため、雑音の影響を大きく受けた受信シンボルでの到来方向推定を回避することができる。これにより、到来方向推定精度を更に向上させることができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

本発明の第１の実施形態による無線装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態による無線装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態による重み付け相互相関演算部の処理を説明するための概略図である。 従来技術による無線装置の構成を示すブロック図である。 電波の到来方向推定方法を説明するための概略図である。

符号の説明

１０，２０…無線装置 １１，２１…受信アンテナ １２，２２…シンボル受信部 １３，２３…メモリ部 １４，２４…ビット復調部 １５，２５…レプリカシンボル生成部 １６…相互相関演算部 １７，２７…電波到来方向算出部 ２６…重み付け相互相関演算部 ２８…誤り判定部

Claims (6)

1. 複数の受信アンテナ毎に受信された受信信号に基づいて送信元からの電波の到来方向を推定する無線装置において、
   前記受信アンテナで受信された受信信号の受信シンボルを格納するメモリ部と、
   前記受信シンボルからデータビットを復調するビット復調部と、
   前記ビット復調部により復調されたデータビットからレプリカシンボルを生成するレプリカシンボル生成部と、
   前記メモリ部に格納された前記受信シンボルと、前記レプリカシンボル生成部により生成された前記レプリカシンボルとの相互相関演算により相関値を算出する相互相関演算部と、
   各受信アンテナに対応する前記相互相関演算部により算出された相関値から電波の到来方向を算出する電波到来方向算出部と、
   を備えることを特徴とする無線装置。
2. 前記受信シンボルの誤り判定を行う誤り判定部を備え、
   前記相互相関演算部は、前記誤り判定部による判定結果に基づく重み値で前記相関値の重み付けを行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
3. 前記相互相関演算部は、前記誤り判定部により誤りありと判定された場合には重み値を０とすることを特徴とする請求項２に記載の無線装置。
4. 複数の受信アンテナ毎に受信された受信信号に基づいて送信元からの電波の到来方向を推定する電波到来方向推定方法において、
   シンボル受信部が、前記受信アンテナで受信された受信信号の受信シンボルをメモリ部へ格納するステップと、
   ビット復調部が、前記受信シンボルからデータビットを復調するステップと、
   レプリカシンボル生成部が、前記ビット復調部により復調されたデータビットからレプリカシンボルを生成するステップと、
   相互相関演算部が、前記メモリ部に格納された前記受信シンボルと、前記レプリカシンボル生成部により生成された前記レプリカシンボルとの相互相関演算により相関値を算出するステップと、
   電波到来方向算出部が、各受信アンテナに対応する前記相互相関演算部により算出された相関値から電波の到来方向を算出するステップと、
   を有することを特徴とする電波到来方向推定方法。
5. 誤り判定部が、前記受信シンボルの誤り判定を行うステップを有し、
   前記誤り判定部による判定結果に基づく重み値で前記相関値の重み付けを行う
   ことを特徴とする請求項４に記載の電波到来方向推定方法。
6. 前記受信シンボルに誤りありと判定した場合には相関値を０とすることを特徴とする請求項５に記載の電波到来方向推定方法。

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