JP3622883B2 - アレーレスポンスシミュレータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アダプティブアレーアンテナやビーム追尾アンテナなどのための信号処理装置を開発、評価、試験するために用いられ、実際にアンテナを配置することなく、受信信号の各入射角をパラメータとして与え、各アンテナ素子を空間に並べた場合と同様の相対位相の変化を各アンテナ素子の受信信号に与えた複素振幅を並べたベクトルを出力するベクトルチャネルシミュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動通信の特徴は、無線伝搬環境がマルチパス伝搬路となることである。上り（移動局送信、基地局受信）通信路を考えると、移動局の周辺で散乱、回折、反射の影響を受けた送信素波の束は、直接、又はさらに遠方での反射を経た後に、基地局に到来する。従って、基地局では移動局の送信信号が、異なる到来角を持つ複数の成分にわかれた各パスを通って受信されることになる。これら、各パスに対応する成分は上記の送信素波の束で構成されており、この束を作るプロセス（散乱、回折、反射、等）は各パスで異なるから、それぞれのパスは独立なフェージングを受けていることになる。
【０００３】
さて、最近このような移動通信環境における、アダプティブアレーアンテナの有効性が指摘されている。すなわち、アダプティブアレーアンテナの干渉キャンセル能力を有効に用いることで同一周波数の面的利用効率が向上したり、またその遅延波除去能力により等化器を不要にできる、等の効果が期待できる。
アダプティブアレーアンテナの開発における技術的課題は、アンテナ素子構成法や無線周波数帯回路構成、等のハードウェアにおける課題と、アンテナビーム制御や干渉キャンセル、等のアルゴリズムにおける課題とに大別される。もちろん、両者の特性は互いに影響しあうため、最終的には両者を一体的に考慮した最適設計が必要となることは言うまでもない。しかし、両者は本来個別の分野に属する技術であり、一方の検討過程においてはもう一方をモデル化して取り扱うことが多い。アルゴリズムの開発、評価、試験においても、アンテナ素子や無線周波数帯回路が理想的に動作するものと仮定して、複素ベースバンド表現を用いて信号を表現したり、シミュレーションを行ったりすることがほとんどである。
【０００４】
本来、種々のアルゴリズムは最終的には実時間動作することになるので、そのアルゴリズムを実際の使用条件（シンボルレートやフレーム構成、等）に合わせた装置上で実行し、想定されるチャネル（アンテナ素子や無線周波数帯回路を含む）の環境を模擬する装置と接続することにより、現実に想定し得る環境下で評価することが必要となる。アダプティブアレーアンテナは複数のアンテナ素子出力を重みづけ合成することで、その指向性パターンを制御する。各アンテナ素子は空間的に離れているから、受信信号の位相（あるいは、複素ベースバンド表現では複素振幅）はアンテナ素子毎に異なり、その各素子間での相対的変化量は受信信号の入射角によって決まる（受信信号の各アンテナ素子における複素振幅を並べたベクトルをアレーレスポンスという）。このことは、アレーアンテナの形状と各受信信号（希望波の各マルチパス成分と干渉波の各マルチパス成分）の入射角が与えられれば、それらに対するアレーレスポンスが複素ベースバンド帯で模擬できることを意味する。ところが、そのようなアレーレスポンスシミュレータは知られていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、アダプティブアレーアンテナのアルゴリズム開発や評価、試験を可能とするアレーレスポンスシミュレータを提供する。アレーの形状（素子数を含む）と各受信信号の入射角をパラメータとして入力することで、それらに応じたアレーレスポンスを発生する。これによって、各アンテナ素子が空間に並べられた場合と同様の相対位相の変化が各受信信号に発生する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、与えられた入射角に応じてアレーアンテナの各素子ごとに複素振幅を複素振幅生成手段で生成し、アレーアンテナの各素子における受信信号に対し、その入射角に対する複素振幅をそれぞれ乗算手段で複素乗算し、これら乗算結果を各アンテナ素子ごとに加算手段で加え合わせて、アレーアンテナの複数の受信信号に対するアレーレスポンスを模擬する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
まずこの発明の原理を説明し、その後、実施の形態を説明する。
アレーの形状を与えた時、参照点（任意）の受信する信号をｚ_ｒ （ｔ） とすると、ｉ番目の素子の受信する信号ｚ_ｉ （ｔ） （ｉ＝１〜Ｎ）は、
ｚ_ｉ （ｔ） ＝ａ_ｉ （θ）ｚ_ｒ （ｔ） （１）
で表わされる。ここで、ａ_ｉ （θ）はアレーレスポンスであり、信号の到来する方向とアレー上の座標（任意）との相対的角度θの関数で与えられる。また、ａ_ｉ （θ）を並べたベクトル
ａ（θ）＝〔ａ_１ （θ）ａ_２ （θ）・・・ａ_Ｎ （θ）〕^ｔ （２）
をアレーレスポンスベクトルという。ｔはベクトルの転置を表わす。
【０００８】
信号帯域幅がチャネルのコヒーレント帯域幅よりも狭ければ、ａ_i （θ）は参照点と各素子との間の距離差に伴う位相変化量として表現され、
ａ_i （θ）＝exp ｛ｊψ_i （θ）｝ (3)
となる。例えば、図１に示すようなＮ素子ＥＬ−１〜ＥＬ−Ｎが間隔ｄで直線上に配列されたリニアアレーの場合、参照点を第１素子にとれば
ψ_i （θ）＝（２π／λ）（ｉ−１）ｄ sinθ (4)
となる。但し、λは搬送波波長、ｄは素子間隔である。
【０００９】
希望波がＬ_ｄ 個のパスにわかれて受信され、そのｊ番目のパス成分がθ_ｊ の方向からアレーに到来するものとする。また、Ｍ個の干渉源が存在してそのｍ番目がＬ_ｕｍ個のパスにわかれて受信され、さらにそのｋ番目のパス成分がθ_ｋ の方向からアレーに到来するものとする。このとき、合成受信信号ベクトルｚ（ｔ） は

で与えられる。但し、ｚ_ｄ ^ｊ （ｔ） は参照点が受信する希望波の第ｊパス成分、ｚ_ｕ ^ｍｋ（ｔ） は参照点が受信する第ｍ干渉波の第ｋパス成分で、それぞれ
ｚ_ｄ ^ｊ （ｔ） ＝ｚ_ｄｆ ^ｊ （ｔ） ｚ_Ｄ （ｔ） （６）
ｚ_ｕ ^ｍｋ（ｔ） ＝ｚ_ｕｆ ^ｍｋ（ｔ） ｚ_Ｕ ^ｍ （ｔ） （７）
となる。ここで、ｚ_ｄｆ ^ｊ （ｔ） は希望波の第ｊパス成分の複素振幅、ｚ_Ｄ （ｔ） は希望波の送信シンボル波形、ｚ_ｕｆ ^ｍｋ（ｔ） は第ｍ干渉波の第ｋパス成分の複素振幅、ｚ_Ｕ ^ｍ （ｔ） は第ｍ干渉波の送信シンボル波形である。また、ｚ_ｇ （ｔ） は雑音ベクトルで
ｚ_ｇ （ｔ） ＝〔ｚ_ｇ１（ｔ） ｚ_ｇ２（ｔ） ・・・ｚ_ｇＮ（ｔ） 〕^ｔ （８）
であり、ｚ_ｇｉ（ｔ） は第ｉ素子に加えられる雑音である。ｚ_ｇｉ（ｔ） は互いに独立なゼロ平均のガウス変数であり、
＜ｚ_ｇ （ｔ） ＞＝０ （９）
＜ｚ_ｇ ^＊ （ｔ）ｚ_ｇ ^ｔ （ｔ） ＞＝σ_ｇ ^２ Ｉ_Ｎ （１０）
となる。但し、Ｉ_Ｎ はＮ次の単位行列である。また、σ_ｇ ^２ は雑音電力である。
【００１０】
以上の説明から、アレーレスポンスシミュレータは式（５）で表現されるプロセスを実時間実行する装置であればよいことがわかる。これは、図２に示す構成で実現できる。即ち制御部（ＣＯＮＴ）１１はシミュレータ全体の動作を制御し、以下に説明する各部の動作は制御部１１が発生する制御情報ＣＯＮＴ−ＩＮＦによって制御される。入力端子１２ｊから希望波の第ｊパス（ｊ＝１〜Ｌ_d ）の受信信号入力Ｄ_j が入力され、入力端子１３_nkより第ｍ干渉波の第ｋパス（ｍ＝１〜Ｍ、ｋ＝１〜Ｌ_um）の受信信号入力Ｉ_mkが入力され、これらの入射角は制御部１１から制御情報ＣＯＮＴ−ＩＮＦとしてアレーレスポンス形成部にそれぞれ入力される。つまり入力端子１４ｊから希望波の第ｊパスの入射角入力Ａ−Ｄ−ｊが入力される入力端子１２ｊの希望波の受信信号入力Ｄ−ｊと、入力端子１４ｊの入射角入力Ａ−Ｄ−ｊが希望波の第ｊパスのアレーレスポンス形成部ＡＲ−Ｄ−ｊに入力される。また、入力端子１５_mkより第ｍ干渉波の第ｋパスの入射角入力が入力され、入力端子１３_mkからの第ｍ干渉波受信信号Ｉ−ｍ−ｋが、入力端子１５_mkから第ｍ干渉波の入射角が第ｍ干渉波の第ｋパスのアレーレスポンス形成部ＡＲ−Ｉ−ｍ−ｋに入力される。
【００１１】
各アレーレスポンス形成部ＡＲ−Ｄ−ｊ，ＡＲ−Ｉ−ｍ−ｋの各出力は、アンテナエレメント数に相当するＮ個の要素からなるベクトルであり、アレーレスポンス形成部ＡＲ−Ｄ−ｊから希望波の第ｊパスのアレー出力ベクトルＡＯＤ−ｊが出力され、アレーレスポンス形成部ＡＲ−Ｉ−ｍ−ｋから第ｍ干渉波の第ｋパスのアレー出力ベクトルＡＯ−Ｉ−ｍ−ｋが出力される。これらの出力ベクトルは全て（エレメント毎に）加算器１６_j1〜１６_jN，１７_m1〜１７ _mNで複素加算され、さらに雑音ベクトル加算器１８₁ 〜１８_N で複素加算される。また第ｉエレメント（ｉ＝１〜Ｎ）に雑音発生器でＮ−ｉからの雑音が加算器１８_i で加算される。雑音ベクトルと複素加算されたアレー出力ベクトルはアレーレスポンスシミュレータ全体の出力Ｏｕｔとなる。
【００１２】
アレーレスポンス形成部の構成例を図３に示す。上述のように、アレーレスポンス形成部の入力は、希望波Ｄ−ｊ又は干渉波のパス成分Ｉ−ｍ−ｋと、入射角情報Ａ−Ｄ−ｊ又はＡ−Ｉ−ｍ−ｋである。アレーレスポンス形成部はＮ個のアンテナ素子に相当するＮ個の要素で構成される。それらは式（３）に対応したＮ個の複素振幅の発生回路Ｅ−１〜Ｅ−ＮとＮ個の複素乗算器Ｍ−１〜Ｍ−Ｎから構成される。第ｉ番目の複素振幅の発生回路Ｅ−ｉでは、受信信号の入射角に対応したアレーレスポンスに対応する複素振幅ａ_ｉ （θ）を発生する（上述のように、ａ_ｉ （θ）はアレーの形状によって異なる。リニアアレーの場合のａ_ｉ （θ）は式（３）、（４）で与えられる）。複素振幅ａ_ｉ （θ）は入力信号に複素乗算されて出力（ＡＯ−Ｄ−ｊ又はＡＲＯ−Ｉ−ｍ−ｋ）となる。
【００１３】
【発明の効果】
以上、説明したようにこの発明によると、実際に空間にアンテナ素子を配置しなくても各入力信号の入射角に対応したアレーレスポンスベクトルが発生できる。出力にはこれらの合成信号が得られるから、このシミュレータの出力をサンプリングすればスナップショットベクトルが得られる。種々のアダプティブアレーアンテナのアルゴリズムや指向性パターン制御アルゴリズムは、このスナップショットベクトルを入力とする。従って、このシミュレータ装置に実際の使用条件（シンボルレートやフレーム構成、等）に合わせた信号を入力し、シミュレータ出力に上記のアルゴリズムを実行する装置を接続して全系を動作させれば、実際の環境に近い条件下での評価や試験が可能となる。
【００１４】
また、移動通信電波伝搬環境における受信信号に対するアレーレスポンスを総合的に模擬するためには、図４に示すようにフェージング伝搬路を模擬するフェージングシミュレータ、つまり希望波送信波形Ｄが入力され、第ｊパスを通った希望波Ｄ_j （ｊ＝１・・・Ｌｄ）を出力する希望波フェージングシミュレータＦＳ−Ｄ−１と、第ｍ干渉波送信波形Ｉ−ｍが入力され、それぞれ、第ｋパスを通った干渉波Ｉ−ｍ−ｋ（ｍ＝１，・・・，Ｍ、ｋ＝１，・・・，Ｌ_uM）をそれぞれ出力する干渉波フェージングシミュレータＦＳ−Ｉ−ｍとを用い、これら各フェージングシミュレータの出力を、各パスごとに図２に示したこの発明のアレーレスポンスシミュレータの、対応するアレーレスポンス形成部ＡＲ−Ｄ−ｊ，ＡＲ−Ｉ−ｍ−ｋの各対応入力端子に供給すればよい。この場合、上記の実際の使用条件に合わせた信号をフェージングシミュレータに入力されることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｎ素子リニアアレーのアンテナ素子配置を示す図。
【図２】この発明に基づくアレーレスポンスシミュレータの実施例の機能構成を示すブロック図。
【図３】アレーレスポンス形成部の一機能的構成例を示すブロック図。
【図４】フェージング伝搬路を模擬するフェージングシミュレータをこの発明のアレーレスポンスシミュレータに接続する場合の一機能的構成例を示すブロック図。

Claims (1)

1. 各アンテナ素子を配置することなく各アレーアンテナ素子を空間に並べた場合と同様の相対位相の変化を模擬するアレーレスポンスシミュレータにおいて、
   希望波信号の各パス成分とその入射角情報が入力され、アンテナエレメント数Ｎ個のベクトルをそれぞれ出力する複数の希望波のアレーレスポンス形成部と、
   干渉波信号の各パス成分とその入射角情報が入力され、アンテナエレメント数Ｎ個のベクトルをそれぞれ出力する複数の干渉波のアレーレスポンス形成部と、
   上記各アレーレスポンス形成部は入力された各入射角情報が入力され、受信信号の入射角に対応したアレーレスポンスに対応する複素振幅を上記アンテナエレメント毎に発生するＮ個の複素振幅発生回路と、これら発生した複素振幅と入力されたパス成分とを乗算してそれぞれ上記ベクトルを出力するＮ個の複素乗算器を含み、
   上記希望波のアレーレスポンス形成部及び上記干渉波のアレーレスポンス形成部の各対応アンテナエレメント毎の出力ベクトルを加算してＮ個のアンテナエレメントの受信信号を出力する加算手段を備え、
   アレーアンテナの複数の受信信号に対するアレーレスポンスを模擬することを特徴とするアレーレスポンスシミュレータ。

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