JP3999517B2 - アップリンク無線信号を評価する方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子を備えたアンテナ装置を有する無線通信システム用の受信機において無線信号を評価する方法および装置に関する。
【０００２】
無線通信システムではメッセージ（音声、画像情報またはその他のデータ）が伝送チャネル（無線インタフェース）を介し電磁波によって伝送される。この場合、伝送は基地局から加入者局へのダウンリンク（下り方向）でも加入者局から基地局へのアップリンク（上り方向）でも行われる。
【０００３】
電磁波によって伝送される信号は、伝播媒体中を伝播するときにたとえば干渉による妨害を受ける。また、たとえば受信機入力段のノイズなどによってノイズ妨害の発生する可能性がある。さらに回折や反射により信号成分は様々な伝播経路を辿る。その結果、受信機における信号はしばしば複数の寄与量のミックスされたものとなり、これは同じ送信信号に基づくものであるが、受信機には幾重にもなってそれぞれ異なる方向から様々な遅延や減衰や位相を伴って到来する可能性がある。他方、受信信号のそれらの寄与量は受信機においてコヒーレントに位相関係を変化させながら互いに干渉し合い、そこにおいて短期間のタイムスケールで消滅作用を引き起こす可能性がある（高速フェージング）。
【０００４】
DE 197 12 549 A1 によれば、アップリンクにおける伝送容量を高める目的でインテリジェントアンテナ（スマートアンテナ smart antenna）すなわち複数のアンテナ素子を備えたアンテナ装置を利用することが知られている。これによりアンテナ利得をアップリンク信号が到来する方向へ所期のように配向することができる。
【０００５】
この種のアンテナ装置はセルラ移動無線通信システムでの使用を意図している。それというのもセルラ移動無線通信システムによれば、伝送チャネルすなわち対象とする移動無線通信システムに応じて搬送波周波数やタイムスロットや拡散符号などを、妨害を及ぼす干渉を加入者局間で引き起こすことなく、１つのセル内で同時にアクティブな複数の加入者局に割り当てることができるからである。
【０００６】
A.J.Paulraj, C.B.Papadias による "Space-time processing for wireless communications", IEEE Signal Processing Magazine, 11. 1997, p.49-83 によれば、アップリンクとダウンリンクのための種々の空間的信号分離方法が知られている。
【０００７】
DE 198 03 188 A により公知の方法によれば、基地局から加入者局への無線コネクションのための空間的共分散行列が求められる。この場合、基地局において共分散行列の固有ベクトルが計算され、これはコネクションのためにビームシェーピングベクトルとして用いられる。コネクションのための送信信号はビームシェーピングベクトルにより重み付けられ、送信のためアンテナへ供給される。セル内干渉はたとえば端末機器においてジョイントデテクションを利用しているためビームシェーピングには算入されず、セル間干渉による受信信号の誤りは無視される。
【０００８】
具体的に説明すると、この方法はマルチパス伝播の伴う環境において良好な伝送特性をもつ伝播経路を求め、基地局の送信電力を空間的にその伝播経路に集中させる。しかしながらこのようにしても、この伝送路における干渉によって短期間、信号が消滅して伝送中断が引き起こされるおそれを回避することはできない。
【０００９】
上述のアプローチによって利点がもたらされるのは、無線信号の到来方向を受信機においてはっきりと確認することができ、かつ種々の伝播経路で受信機に到来する無線信号間の遅延が十分に大きいような環境だけである。このような前提条件の欠けている環境では、たとえば伝播時間差が短く無線信号の明確な到来方向を確認できない建物内部などでは、この公知の方法によっても単一のアンテナにより受信した場合よりも良好な結果はもたらされない。したがって位相の揺らぎによって受信信号の短期間の減衰または消滅（高速フェージング）の引き起こされるおそれがある。
【００１０】
X. Bernstein, A.M.Haimovich による "Space-Time Optimum Combining for CDMA Communications", Wireless Personal Communications 第３巻 1969, p.73-89 Kluwer Academic Pulishers から、無線通信システムにおいて複数のアンテナ素子を備えたアンテナ装置を適用する別の方式が知られている。この方法が前提とするのは、位相の揺らぎに起因する受信信号の消滅はたいてい小さい空間領域に限られており、したがってアンテナ装置のアンテナ素子すべてには同時に該当しないことが多い、ということである。そしてこのことは次のようにして利用される。すなわち、伝送チャネルが各アンテナ素子ごとに個別に短いタイムインターバルで推定され、同一の送信機から到来して個々のアンテナ素子により受信された受信信号が最大比合成器（maxmum ration combiner）において重畳され、そのようにして得られた信号が評価される。しかしこの方法はアンテナ素子の送受信特性の空間的配向とは適合性がなく、つまり無線システムの１つのセル内において互いに空間的に分離されている種々の加入者局のためにチャネルを多重利用する余地はない。しかもこの方法の効果は、受信機に到来する複数の無線信号に１つの方向が割り当てられる可能性のある環境において使用すると、著しく制約される。つまり複数の無線信号に１つの到来方向を割り当てることができるということは、種々のアンテナ素子が受信する受信信号間に位相の相関が存在するのと同じことを意味する。そしてこのことは、アンテナ装置の１つの素子が受信信号の消滅を被るときには、隣接するアンテナ素子においても同じ状況であるという無視できぬ確率の存在を意味するのである。
【００１１】
したがって本発明の課題は、複数のアンテナ素子を備えた無線受信機において無線信号を評価する方法および装置において、受信機の受信特性を１つの送信機に配向させることができるようにし、それにもかかわらず高速フェージングによる信号の欠落から保護されるようにすることである。
【００１２】
本発明によればこの課題は、本発明による請求項１の特徴部分に記載の方法および請求項８の特徴部分に記載の装置によって解決される。従属請求項には本発明の実施形態が示されている。
【００１３】
本発明による方法はたとえば基地局と加入者局とを備えた無線通信システムにおいて用いられる。加入者局はたとえば移動無線ネットワークにおける移動局であり、あるいはコードレス加入者コネクションのためのいわゆる加入者アクセスネットワークにおける固定局である。基地局は複数のアンテナ素子を備えたアンテナ装置（スマートアンテナ）を有する。これらのアンテナ素子によって、無線インタフェースを介したデータの指向性受信もしくは指向性送信が実現される。
【００１４】
本発明による方法において前提とするのは、マルチパス伝播の伴う環境において同じ送信機から到来する無線信号に対し、受信機への無線信号の到来に関して複数の方向が割り当てられる可能性が多いことである。これらの方向は送信機と受信機が静止しているときには変化せず、双方のいずれかが移動している場合、この移動により受信信号に及ぼされる変化は、高速フェージングにより引き起こされる変化に比べれば僅かである。個々のアンテナ素子から供給される受信信号を適切なウェイトベクトルの成分で重み付けることにより、受信機の受信特性を相応の方向に偏向させることができる。ウェイトベクトルに比べて迅速に変えられる選択ベクトルを考慮することで、個々の伝播経路における高速フェージングに対しダイナミックに整合することができ、また、種々の伝播経路間で受信特性を切り替えることができ、あるいはアンテナ素子の受信信号に対する種々の伝播経路の寄与量を同時に考慮することができる。
【００１５】
ウェイトベクトルを求める目的で有利であるのは初期フェーズ中、Ｍ個の受信信号の第１の空間的共分散行列を生成し、第１の共分散行列の固有ベクトルを求め、それらを第１のウェイトベクトルとして用いることである。
【００１６】
固有ベクトルを求める際に高速フェージングによる偶発的な影響を制限する目的で好適であるのは、第１の共分散行列を動作フェーズの多数の周期に対応する期間にわたり平均化することである。このようにすることで固有ベクトルを求める際の位相の揺らぎの影響による誤りが平均化される。
【００１７】
第１の共分散行列を、アンテナ素子により受信された受信信号の全体に対し画一的に生成することができる。しかし受信信号に対する個々の伝送路の寄与量は辿ってきた経路のみならずその経路にかかった伝播時間によっても異なるので、伝送された無線信号が符号分割多重無線信号であるならば、第１の共分散行列を無線信号のタップごとに個別に生成すると有利である。
【００１８】
処理の手間を削減する目的で好適であるのは、第１の共分散行列のすべての固有ベクトルを求めるのではなく、最大の固有値を固有ベクトルだけを求めることである。それというのも最大の固有値は減衰の最も僅かな伝播経路に対応するからである。
【００１９】
本発明による方法の第１の有利な実施形態によれば動作フェーズ中、アンテナ素子の受信信号から、受信信号のベクトルと行列Ｗとの乗算によりいわゆる固有信号のベクトルが形成され、ここで行列Ｗの列（または行）はそれぞれ求められた固有ベクトルである。換言すれば、受信信号は求められたすべての固有ベクトルにより重み付けられる。このようにして得られた固有信号の各々は、アンテナ素子の受信信号に対する伝送路の寄与量に対応する。つまり、個々のアンテナ素子から供給される寄与量は個々の伝送路の寄与量に変換されるのである。ついで、このようにして形成された固有信号のベクトルを選択信号で重み付けることにより、評価すべき中間信号が得られる。ここで中間ステップで形成された固有信号の電力を測定することができ、選択ベクトルの成分が有利には各周期ごとそれらの固有信号の電力に依存して決定される。この実施形態は簡単であり安価に実現可能である。それというのもシンボル推定まで固有信号を後続処理するために、「スマートアンテナ smart antennas」用の既存の受信機を使用することができるからである。
【００２０】
本発明による方法の択一的な第２の実施形態によれば動作フェーズ中、各周期ごとに第２の空間的共分散行列が生成され、求められた固有ベクトルの固有値が第２の空間的共分散行列に対して計算され、選択ベクトルの各成分がそれらの成分に対応する固有ベクトルの固有値に基づき決定される。この方法はかなり僅かな回路技術的煩雑さで実現可能である。なぜならば複数の固有信号を生成する必要がないからであり、固有ベクトルを求めるために受信信号の共分散行列の生成はいずれにせよ必要とされるからである。
【００２１】
これら両方の方法の実施形態において、選択ベクトルの成分を最大比合成法に従い決定することができる。択一的に、所定数のそのつど最良の伝送路を除いて、つまり第１の実施形態であれば所定数の最も強い固有信号を除いて、あるいは第２の実施形態であれば最大の固有値を除いて、選択ベクトルのすべての成分を０にセットすることができる。この場合、所定数をたとえば１とすることができる。
【００２２】
好適には送信機は受信機にとって既知であるトレーニングシーケンスを周期的に送出するので、受信機は受け取ったトレーニングシーケンスに基づき第１のウェイトベクトルを求めることができる。これによりたとえば本発明による方法の第２の実施形態によれば、送信されたトレーニングシーケンスごとに第２の共分散行列を生成し、そのようにして選択ベクトルを各トレーニングシーケンスごとに更新することができる。複数の送信機がこの受信機と同時に通信できるならば、それらの送信機は好適には直交するトレーニングシーケンスを使用する。
【００２３】
Ｍ個のアンテナ素子をもつアンテナ装置を備えた無線受信機のための無線信号評価装置には、ビームシェーピング回路と信号処理ユニットが設けられている。この場合、ビームシェーピング回路は、アンテナ素子から供給される受信信号のためのＭ個の入力側と、それらの受信信号を送信機に割り当てられたウェイトベクトルと重み付けることにより得られる中間信号のための出力側を有している。また、信号処理ユニットは得られた中間信号に含まれるシンボルを推定する。この無線信号評価装置には、そのつど同じ送信機に割り当てられたＮ個のウェイトベクトルを記憶するための記憶素子が設けられており、上述のビームシェーピング回路は選択ベクトルのための制御入力側を有しており、この選択ベクトルの成分により中間信号に対する個々のウェイトベクトル各々の寄与量が決定される。
【００２４】
ウェイトベクトルは有利には、Ｍ個の受信信号に基づき生成された第１の共分散行列の固有ベクトルである。本発明による装置の第１の有利な実施形態によればビームシェーピング回路は２つの回路段を有している。この場合、１番目の回路段はＮ個のウェイトベクトルのそれぞれ１つにより受信信号を重み付けるためのＮ個の分岐を有しており、２番目の回路段はＮ個の分岐から供給された固有信号を選択ベクトルにより重み付ける。この種の装置は格別簡単に実現可能である。それというのもビームシェーピング回路の２番目の回路段は、Bernstein および Haimovich, op. cit. に記載された形式の慣用の無線信号評価装置にすでに設けられているからである。とはいえそこではそれは個々のアンテナ素子信号を評価するために設けられているのであって、固有信号を評価するためには設けられていない。本発明の第１の実施形態とこの種の慣用の装置との基本的な相違点は、ビームシェーピング回路に１番目の回路段を追加したことと選択ベクトルの生成の仕方にある。
【００２５】
第２の実施形態によればビームシェーピング回路は、ビームシェーピングベクトルと固有ベクトルの上述の行列Ｗとの積を形成するための計算ユニットを有しており、この場合、得られた積がウェイトベクトルとしてビームシェーピング回路において用いられる。この実施形態の場合にはただ１つの回路段しか必要とされないので、ビームシェーピング回路を格別簡単に構成することができる。
【００２６】
次に、図面を参照しながら実施例について詳しく説明する。
【００２７】
図１は、移動無線ネットワークのブロック図である。
【００２８】
図２は、符号多重（ＣＤＭＡ）無線伝送におけるフレーム構造の概略図である。
【００２９】
図３は、本発明の第１の実施形態による無線信号評価装置を備えた無線通信システムの基地局に関するブロック図である。
【００３０】
図４は、上述の装置により実行される方法のフローチャートである。
【００３１】
図５は、本発明の第２の実施形態による無線信号評価装置を備えた無線通信システムの基地局に関するブロック図である。
【００３２】
図６は、上述の装置により実行される方法のフローチャートである。
【００３３】
図７は、本発明の第３の実施形態による無線信号評価装置を備えた無線通信システムの基地局に関するブロック図である。
【００３４】
図８は、上述の装置により実行される方法のフローチャートである。
【００３５】
図１には無線通信システムの構造が描かれており、この構造において本発明による方法もしくは本発明による装置を適用することができる。ここには複数の移動体交換局ＭＳＣが設けられており、これらは互いにネットワークでつながれており、もしくは固定回線網ＰＳＴＮに対するアクセスを確立する。さらにこれらの移動体交換局ＭＳＣはそれぞれ少なくとも１つの基地局制御装置ＢＳＣと接続されている。他方、各基地局制御装置ＢＳＣにより少なくとも１つの基地局ＢＳへのコネクションが可能となる。この種の基地局ＢＳは無線インタフェースを介して、加入者局ＭＳとのメッセージコネクションを確立することができる。このため基地局ＢＳの少なくともいくつかは、複数のアンテナ素子（Ａ_１ 〜Ａ_Ｍ）をもつアンテナ装置を装備している。
【００３６】
図１には一例として、加入者局ＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳｋ，ＭＳｎと基地局ＢＳとの間でユーザ情報とシグナリング情報を伝送するためのコネクションＶ１，Ｖ２，Ｖｋが描かれている。基地局ＢＳと以下ではすべての加入者局の代表として考察する加入者局ＭＳｋとの間のコネクションには複数の伝播経路が含まれており、これらはそれぞれ矢印によって表されている。
【００３７】
オペレーション・メンテナンスセンタＯＭＣによって、移動無線ネットワークもしくはそれらの一部分のためのコントロールおよび保守の機能が実現される。この構造の機能を本発明を組み込むことのできる他の無線通信システムに転用可能であり、たとえばコードレス加入者コネクションの行われる加入者アクセスネットワークのためなどに転用可能である。
【００３８】
図２には無線伝送のフレーム構造が示されている。ＴＤＭＡコンポーネントによれば、たとえばＢ＝１．２ＭＨｚなどのような広帯域の周波数領域が複数のタイムスロットｔｓたとえば８個のタイムスロットｔｓ１〜ｔｓ８へ分割される。周波数領域Ｂ内の各タイムスロットｔｓは周波数チャネルＦＫを成している。ユーザデータ伝送のためだけに設けられている周波数チャネルＴＣＨ内において、複数のコネクションの情報が無線ブロックで伝送される。
【００３９】
ユーザデータ伝送のためのこれらの無線ブロックはデータｄをもつ複数のセクションから成り、そこには受信側で既知のトレーニングシーケンスｔｓｅｑ１〜ｔｓｅｑｎをもつセクションが埋め込まれている。データｄはコネクションごとに微細構造すなわち加入者符号ｃにより拡散されるので、受信側ではたとえばｎ個のコネクションをこれらのＣＤＭＡコンポーネントにより分離可能となる。
【００４０】
データｄの個々のシンボルの拡散によって、シンボル期間Ｔ_ｓｙｍ 内で期間Ｔ_ｃｈｉｐ をもつＱ個のチップが伝送されるようになる。この場合、Ｑ個のチップはコネクション固有の加入者符号ｃを成している。さらにタイムスロットｔｓ内には、各コネクションのそれぞれ異なる信号伝播遅延時間を補償するためのガード期間ｇｐ（quard period）も設けられている。
【００４１】
広帯域の周波数領域Ｂ内で相前後するタイムスロットｔｓがフレーム構造に従い構成されている。したがってこの場合、８個のタイムスロットｔｓがまとめられて１つのフレームが形成され、その際、たとえばこのフレームのタイムスロットｔｓ４がシグナリング用周波数チャネルＦＫまたはユーザデータ伝送用周波週チャネルＴＣＨを成しており、後者のチャネルはコネクションのグループにより繰り返し利用される。
【００４２】
図３にはＷ−ＣＤＭＡ無線通信システムの基地局のブロック図がごく概略的に描かれており、この基地局は、加入者局ＭＳＫから受け取ったアップリンク無線信号および場合によっては他の加入者局のアップリンク無線信号を評価するための本発明による装置を装備している。さらにこの基地局はアンテナ素子Ａ_１，Ａ_２ 〜Ａ_Ｍ を備えたアンテナ装置を有しており、これらのアンテナ素子はそれぞれ受信信号Ｕ_１ 〜Ｕ_Ｍ を供給する。ビームシェーピング回路１は複数のベクトル乗算器２を有しており、これらの各々は受信信号Ｕ_１ 〜Ｕ_Ｍ を受け取って、これらの受信信号のベクトルとウェイトベクトルｗ^{（ｋ，１）} 〜ｗ^{（ｋ，Ｎ）} とのスカラ積を形成する。このウェイトベクトルを以下では固有ベクトルと称する。固有ベクトルの個数Ｎつまり乗算器２の個数Ｎは、アンテナ素子の個数Ｍとまったく同じであるかまたはそれよりも少ない。
【００４３】
なお、ベクトル乗算器２から供給される出力信号Ｅ_１ 〜Ｅ_Ｎ を加入者局ＭＳｋの固有信号と称する。
【００４４】
ベクトル乗算器２はビームシェーピング回路１の１番目の回路段を成している。２番目の回路段はベクトル乗算器３によって構成されており、図面にはその内部構造が描かれており、これはベクトル乗算器２の構造をも代表するかたちで表されている。これはＮ個の固有信号Ｅ_１ 〜Ｅ_Ｎ のためのＮ個の入力側と、選択ベクトルＳのＮ個の成分のための対応する入力側を有している。スカラ乗算器４は各固有信号を選択ベクトルＳの対応する成分Ｓ_ｎ と乗算する。得られた積は加算器５によって加算されてただ１つのいわゆる中間信号Ｉ_ｋ が形成され、この信号は推定回路６へ供給され、受信信号中に含まれているシンボルが推定される。推定回路６の構造はそれ自体公知であり本発明の一部を成すものではないので、推定回路についてはここではこれ以上説明しない。
【００４５】
信号プロセッサ８にも受信信号Ｕ_１ 〜Ｕ_Ｍ が供給され、このプロセッサはそれらの受信信号の共分散行列Ｒ_ｘｘ を生成する。これはたとえば加入者局ＭＳｋから周期的につまりその加入者局に割り当てられたタイムスロットで伝送されるトレーニングシーケンスの評価により生成され、このトレーニングシーケンスは信号プロセッサにとって既知のものである。このようにして得られた共分散行列は信号プロセッサ８により多数の周期にわたり平均化される。この平均化を数秒〜数分の期間に及ぶようにすることができる。
【００４６】
平均共分散行列
【００４７】
【数８】

【００４８】
をここでは第１の共分散行列とも呼ぶが、これは第１の計算ユニット９へ転送され、平均共分散行列
【００４９】
【数９】

【００５０】
の固有ベクトルがこの計算ユニット９によって求められる。基地局のアンテナ装置に到来するアップリンク信号に対し基地局ＢＳへの種々の到来方向を伝播経路を対応づけることができれば、これらの伝播経路の各々に１つの固有ベクトルが対応する。平均共分散行列はＭ個の行と列をもつ行列であり、したがってこれは最大でＭ個の固有ベクトルをもつことができるが、とはいえそれらの固有ベクトルのうちいくつかはトリビアルである可能性があるし、あるいは受信信号にさして寄与していない伝送路に対応する可能性がある。たとえばアンテナ素子Ｍの個数が３よりも大きいとき、本発明を実施するために共分散のすべての固有ベクトルを求める必要はない。この場合、第１の計算ユニット９により求められた固有ベクトルの個数ＮをＭよりも小さくすることができる。
【００５１】
ＮをＭよりも小さく設定した場合、第１の計算ユニット９は平均共分散行列
【００５２】
【数１０】

【００５３】
において、それらのすべての固有ベクトルのうち最も大きい値の固有値をもつＮ個の固有ベクトルｗ^{（ｋ，１）} 〜ｗ^{（ｋ，Ｎ）} を求める。
【００５４】
記憶素子１０はこの図では一体化されたコンポーネントとして描かれているが、複数のレジスタから構成し、それらの各々が１つの固有ベクトルを収容し、対応するベクトル乗算器２と接続して１つの回路ユニットを成すようにすることもできる。
【００５５】
ベクトル乗算器２により形成された固有信号Ｅ_１ 〜Ｅ_Ｎ はそれぞれ、単一の伝送路がアンテナ装置ＡＥにより受信されたアップリンク無線信号全体に及ぼす寄与量に相応する。これら個々の寄与量の電力は、加入者局ＭＳｋの順次連続するタイムスロット間のタイムインターバルのオーダで短期間、個々の伝送路において位相が揺らぐことに起因して大きく変化する可能性があり、それによって個々の伝送路において信号の消滅が引き起こされる可能性がある。しかし種々の伝送路は互いに依存していないので、それら種々の伝送路における信号消滅の確率は相関性がない。したがってＮ個の信号すべてが同時に消滅して受信が途切れてしまう確率は、Ｎ個のアンテナ素子の受信信号における場合よりも低い。その理由は、Ｎ個のアンテナ素子の受信信号の場合、たいていはアンテナ素子が空間的に狭く近接していることから欠落の確率に相関性があることによる。
【００５６】
ビームシェーピング回路の２番目の回路段によって、Ｎ個の固有信号が組み合わせられて１つの中間信号Ｉ_ｋ が形成される。この２番目の回路段は第２の信号プロセッサ１１を有しており、これはベクトル乗算器２の出力側と接続されていて、これにより固有信号の電力が測定され、ベクトル乗算器３を制御するための選択ベクトルＳが形成される。１つの簡単な実施形態によれば、第２の信号プロセッサ１１は消滅していない成分だけをもつ選択ベクトルＳを生成し、これは最も強い固有信号を受け取るスカラ乗算器４へ供給される。１つの有利な実施形態によれば、第２の信号プロセッサ１１は最大比合成法を適用し、つまり第２の信号プロセッサ１１は固有信号Ｅ_１ 〜Ｅ_Ｎ の電力に依存して選択ベクトルＳの係数ｓ_１ 〜ｓ_ｎ を選定し、その際、選択ベクトルＳの成分により重み付けられた固有信号Ｅ_１ 〜Ｅ_Ｎ の加算により最適なＳＮ比をもつ中間信号Ｉ_ｋ が得られるようにする。
【００５７】
図４には、図３の装置により実行される方法がフローチャートで示されている。ステップＳ１において目下の共分散行列Ｒ_ｘｘ が１つのタイムスロットで加入者局ＭＳｋから伝送されたトレーニングシーケンスに基づき生成される。この目下の共分散行列Ｒ_ｘｘ はステップＳ２において、平均共分散行列
【００５８】
【数１１】

【００５９】
を形成するために利用される。平均値形成は次のようにして行うことができる。すなわち、定められた期間にわたりあるいは加入者局における定められた個数の周期もしくはタイムスロットにわたり目下の共分散行列Ｒ_ｘｘ 全体が加算され、得られた合計が加算された共分散行列の個数により除算される。とはいえ有利であるのは移動平均値形成であり、それというのもこの場合、平均共分散行列を最初に得る前に多数の目下の共分散行列Ｒ_ｘｘ を強制的に捕捉する必要がないからであり、また、この場合にはそのつど最も新しい共分散行列が最も強く考慮されるからであり、つまり加入者局が移動しているときに個々の伝播経路の方向をおそらく最も重く再現する共分散行列Ｒ_ｘｘ が最も強く考慮されるからである。
【００６０】
これに続いてステップＳ３において、平均共分散行列
【００６１】
【数１２】

【００６２】
の固有ベクトル分析が行われる。得られた固有ベクトルの記憶（ステップ４）が行われたところで、この方法の初期化フェーズが完了する。
【００６３】
この方法の動作フェーズにおいて、このようにして得られた固有ベクトルｗ^{（ｋ，１）} 〜ｗ^{（ｋ，Ｎ）} に基づきステップＳ５において固有信号Ｅ_１ 〜Ｅ_Ｎ が生成される。この固有信号の生成は行列乗算に対応する。
【００６４】
Ｅ＝ＷＵ、ここで
【００６５】
【数１３】

【００６６】
は固有信号のベクトル、固有ベクトルの行列もしくは受信信号のベクトルを表す。
【００６７】
ステップＳ６において固有信号Ｅ_１ 〜Ｅ_Ｎ の電力が測定され、これらに基づきステップＳ７において選択ベクトル
Ｓ＝（ｓ_１ ｓ_２ ・・・ｓ_Ｎ）
が決定される。したがってステップＳ８における中間信号Ｉ_ｋ の生成は最終的に積
Ｉ_ｋ ＝ＳＷＵ
に相応し、ここで固有信号Ｅ_１ 〜Ｅ_Ｎ の強さに依存して選択ベクトルＳを迅速に更新することによって、個々の伝送路の高速なフェージングに対し迅速に整合させることができるようになる。
【００６８】
図５には本発明による装置の第２の実施形態が示されている。この実施形態と図３による装置との基本的な相違点は、第１の信号プロセッサ８がそれぞれ加入者局ＭＳｋから受け取った各トレーニングシーケンスごとにそれぞれ目下の共分散行列Ｒ_ｘｘ を生成し、平均共分散行列
【００６９】
【数１４】

【００７０】
を生成するための平均値形成回路７へそれを送出する一方、第２の計算ユニット１２へも送出する。この第２の計算ユニット１２はさらに記憶素子１０から、第１の計算ユニット９により求められた平均共分散行列
【００７１】
【数１５】

【００７２】
の固有ベクトルを受け取り、これらの固有ベクトルＥ_１ 〜Ｅ_Ｎ の各々について目下の共分散行列Ｒ_ｘｘ を用いてその固有値を計算する。この固有値は固有信号Ｅ_１ の電力のように、固有ベクトルもしくは固有信号に対応づけられた伝播経路の品質に対する尺度であり、これは図３および図４を参照しながらすでに説明した特性をもつ選択ベクトルＳを生成する目的で第２の計算ユニット１２により利用される。ベクトル乗算器３はこの選択ベクトルＳに基づき固有信号Ｅ_１ 〜Ｅ_Ｎ を合成して中間信号Ｉ_ｋ を形成し、そのシンボルが推定回路６において推定される。
【００７３】
この装置により実行される方法が図６にフローチャートとして描かれている。図４による方法との相違点はステップＳ６とステップＳ７にあり、ステップ６において目下の共分散行列Ｒ_ｘｘ に対する固有ベクトルの固有値が求められ、この固有値に基づきステップＳ７において選択ベクトルＳが決定される。
【００７４】
図７には本発明による装置の第３の実施形態が示されている。ベクトル乗算器２はここでは省略されており、その代わりに受信信号U_１ 〜Ｕ_Ｍ がベクトル乗算器３のＭ個のスカラ乗算器４へじかに供給される。この場合、第１の信号プロセッサ８、平均値回路７、記憶素子１０および計算ユニット９，１２は図５の実施形態のものと代わらない。第２の計算ユニット１２により求められた一群の固有値は選択ベクトルＳとして選択ユニット１３へ供給され、このユニットは同時に記憶素子１０から固有値の行列Ｗを受け取り、行列乗算
【００７５】
【数１６】

【００７６】
を実行する。
【００７７】
ベクトル乗算器３の出力側で得られる中間信号Ｉ_ｋ は図７の実施形態の場合と同じであるが、ベクトル乗算器２が省略されたことで回路の煩雑さが格段に抑えられる。たしかにその代わりに第２の計算ユニット１２において行列の乗算が行われるけれども、それに付随する処理の煩雑さはずっと僅かである。その理由は、この行列演算は動作フェーズの各周期ごとに１回実行するだけでいいのに対し、ベクトル乗算器２，３は各周期ごとに多数のサンプリング値を処理しなければならず、それゆえずっと高い処理速度をもたなければならないからである。
【００７８】
図８のフローチャートには図７の実施形態の動作が描かれている。ステップＳ１〜Ｓ６′までは図６に示した方法と同じである。変形されたステップＳ７″において、選択ベクトルＳと固有ベクトルの行列Ｗとの積が計算され、ステップＳ８″において受信信号Ｕ_１ 〜Ｕ_Ｍ がそのようにして得られたベクトルにより重み付けられる。ステップＳ９におけるシンボルの推定はやはり他の実施形態と同じようにして行われる。
【００７９】
当然ながらこの実施例の場合にも、選択ベクトルの成分と目下の共分散行列Ｒ_ｘｘ に対する一群の固有値と同一でなくてよい。つまり選択ベクトルＳの成分を任意に適切なかたちで固有値に基づき計算することができ、たとえば所定数のそのつど最大の固有値に対応する成分を除きすべての成分を０にセットすることができる。
【００８０】
上述の方法および装置の１つの実施形態の基礎とする着想は、基地局のアンテナ装置により受信されたアップリンク信号は、個々のアンテナ素子におけるそれらの到来方向もしくはそれらの相対的な位相およびそれらの減衰に関して異なるだけでなく、加入者局ＭＳｋから基地局ＢＳへのそれらの伝播時間に関しても異なる多数の寄与量から合成されている、ということである。個々の寄与量の伝播時間もしくはそれらの相対的遅延は、それ自体公知のようにレイク探索器 Rake Searcher によって求めることができ、個々のアンテナ素子各々に対するアップリンク無線信号から複数の受信信号を発生させることができる。これらの受信信号はＣＤＭＡ無線通信システムではタップ tap と呼ばれ、各タップごとにアップリンク無線信号の逆拡散とデスクランブルに対し、測定された遅延に従いそれぞれアップリンク無線信号と拡散およびスクランブル符号との間で異なる時間のずれがベースとされるようにすることで、それらのタップが互いに区別される。この実施形態によれば、目下の共分散行列Ｒ_ｘｘ が、およびそれに応じて平均共分散行列
【００８１】
【数１７】

【００８２】
も、各タップごとに個別に形成される。このことでＭ個のアンテナ素子を有するアンテナ装置を用いて、個々の信号遅延に関して異なるＭ個の伝播経路よりも多くの伝播経路を区別することができ、評価に際して考慮することができる。このため、ただ１つの共分散行列だけしか形成されない場合よりも著しく詳細かつ精確にアップリンク無線信号を評価できるようになる。
【００８３】
加入者局ＭＳｋに割り当てられる固有ベクトルの個数Ｎを必ずしも固定的に与えなくてもよい。共分散行列Ｒ_ｘｘ，
【００８４】
【数１８】

【００８５】
が各タップごとに個別に生成される場合、１つの加入者局について考慮される固有ベクトルの総数をまえもって与えておくことができるが、とはいえ個々の共分散行列について考慮される固有ベクトルの個数を変えてもかまわない。この目的でまずはじめに、加入者局の平均共分散行列すべてについて固有ベクトルと固有値の全体が計算され、それぞれ異なるタップに属する可能性のある固有ベクトルの全体から、最大の固有値をもつものが求められて記憶素子１０の中に格納される。これにより生じる可能性は、アップリンク信号に対しごく僅かにしか寄与していないタップの固有ベクトルはまったく考慮されないままになることである。また、１つの加入者局に割り当てられる固有ベクトル全体の個数を、個々の伝送状況に依存してダイナミックに変化させることも可能である。したがってダイレクトな伝送路の場合、たとえば加入者局がまったく移動していないかゆっくりとしか移動していないならば、固有ベクトルの個数をＮ＝１となるまで低減してもよく、その際、これによって開放された処理能力（もしくは図３と図５の装置の事例ではベクトル乗算器２）を、伝送条件がもっと劣っている他の加入者局へ振り分けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 移動無線ネットワークのブロック図である。
【図２】 符号多重（ＣＤＭＡ）無線伝送におけるフレーム構造の概略図である。
【図３】 本発明の第１の実施形態による無線信号評価装置を備えた無線通信システムの基地局に関するブロック図である。
【図４】 図３の装置により実行される方法のフローチャートである。
【図５】 本発明の第２の実施形態による無線信号評価装置を備えた無線通信システムの基地局に関するブロック図である。
【図６】 図５の装置により実行される方法のフローチャートである。
【図７】 本発明の第３の実施形態による無線信号評価装置を備えた無線通信システムの基地局に関するブロック図である。
【図８】 図７の装置により実行される方法のフローチャートである。

Claims (13)

1. それぞれ受信信号（Ｕ_１〜Ｕ_Ｍ）を送出するＭ個の複数のアンテナ素子（Ａ_１〜Ａ_Ｍ）をもつアンテナ装置（ＡＥ）を備えた無線受信機の無線信号評価方法において、
   ａ）初期化フェーズ中、Ｍ個の受信信号の第１の共分散行列Ｒ _ｘｘ の、当該初期化フェーズ中平均化された空間的共分散行列
   

   

   を生成し、該平均化された空間的共分散行列
   

   

   の固有ベクトルを求めて、ウェイトベクトルとして使用し、
   該ウェイトベクトルのうちＮ個の複数のウェイトベクトルを、第１のウェイトベクトルとして、固有ベクトル全体のうち最も大きい値をもつ固有値を有する固有ベクトルを用いるようにして、加入者局（ＭＳｋ）のための前記第１のウェイトベクトル（ｗ^{（ｋ，１）}，ｗ^{（ｋ，２）}〜ｗ^{（ｋ，Ｎ）}）として求め、
   ｂ）動作フェーズ中、式
   Ｉ_ｋ ＝Ｓ Ｗ Ｕ
   の積の形成により得られる中間信号（Ｉ_ｋ）に含まれるシンボルを推定し、ここでＷは前記第１のウェイトベクトル（ｗ^{（ｋ，１）}，ｗ^{（ｋ，２）}〜ｗ^{（ｋ，Ｎ）}）のＭ×Ｎの行列ただしＮ≦Ｍであり、ＳはＮ個の成分をもつ選択ベクトルであり、Ｕは受信信号（Ｕ_１〜Ｕ_Ｍ）のベクトルであり、
   動作フェーズ中、各周期内で各々個別の第２の空間的共分散行列（Ｒ _ｘｘ ）を生成し、該第２の空間的共分散行列（Ｒ _ｘｘ ）を用いて固有ベクトルの固有値を計算し、前記選択ベクトル（Ｓ）の各成分を該成分に対応する固有ベクトルの固有値に基づき決定するようにして、前記選択ベクトルＳを当該各動作フェーズ中、周期的に新たに決定しなおし、
   ｃ）所定数のタイムスロットに亘って、前記動作フェーズ中各周期毎に形成された前記第２の空間的共分散行列（Ｒ _ｘｘ ）が加算されて、得られた加算値が、加算された前記共分散行列の個数によって除算されるようにして、前記初期化フェーズ中、前記平均化された空間的共分散行列
   

   

   を形成することを特徴とする、
   無線受信機の無線信号評価方法。
2. 前記平均化された空間的共分散行列
   

   

   を無線信号の各タップごとに個別に生成する、請求項１記載の方法。
3. 動作フェーズ中、固有信号（Ｅ_１〜Ｅ_Ｎ）のベクトルＥを式
   Ｅ＝Ｗ Ｕ
   に従い形成し、前記選択ベクトル（Ｓ）の成分を各周期内で前記固有信号（Ｅ_１〜Ｅ_Ｎ）の電力に依存して決定する、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記選択ベクトル（Ｓ）の成分を最大比合成法に従い決定する、請求項３記載の方法。
5. まえもって与えられた個数を除いて選択ベクトル（Ｓ）のすべての成分を０になるよう定める、請求項３記載の方法。
6. 送信機（ＭＳｋ）は受信機（ＢＳ）にとって既知であるトレーニングシーケンスを周期的に送出し、受信したトレーニングシーケンスに基づき第１のウェイトベクトルを求める、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記第２の共分散行列（Ｒ_ｘｘ）を送信されたトレーニングシーケンスごとに生成する、請求項１記載の方法。
8. 無線受信機のための無線信号評価装置において、
   Ｍ個のアンテナ素子（Ａ_１〜Ａ_Ｍ）をもつアンテナ装置（ＡＥ）が設けられており、各アンテナ素子はそれぞれ１つの受信信号（Ｕ_１〜Ｕ_Ｍ）を供給し、
   ビームシェーピング回路（１）が設けられており、該ビームシェーピング回路（１）は、前記Ｍ個のアンテナ素子（Ａ_１〜Ａ_Ｍ）から供給される受信信号（Ｕ_１〜Ｕ_Ｍ）のためのＭ個の入力側を有しており、
   該ビームシェーピング回路（１）は初期化フェーズ中、Ｍ個の受信信号の第１の共分散行列Ｒ _ｘｘ の、当該初期化フェーズ中平均化された空間的共分散行列
   

   

   を形成し、
   該ビームシェーピング回路（１）は初期化フェーズ中、該平均化された空間的共分散行列
   

   

   の固有ベクトルを求めてウェイトベクトルとして使用し、
   該ビームシェーピング回路（１）は初期化フェーズ中、
   前記ウェイトベクトルのうちＮ個の複数のウェイトベクトルを加入者局（ＭＳｋ）のための第１のウェイトベクトル（ｗ^{（ｋ，１）}，ｗ^{（ｋ，２）}〜ｗ^{（ｋ，Ｎ）}）として求め、該ウェイトベクトルのうちＮ個の複数のウェイトベクトルを、第１のウェイトベクトルとして、固有ベクトル全体のうち最も大きい値をもつ固有値を有する固有ベクトルを用いるようにして、加入者局（ＭＳｋ）のための前記第１のウェイトベクトル（ｗ^{（ｋ，１）}，ｗ^{（ｋ，２）}〜ｗ^{（ｋ，Ｎ）}）として求め、
   該ビームシェーピング回路（１）は式
   Ｉ_ｋ ＝Ｓ Ｗ Ｕ
   の積として中間信号（Ｉ_ｋ）を形成し、ここでＷは前記第１のウェイトベクトル（ｗ^{（ｋ，１）}，ｗ^{（ｋ，２）}〜ｗ^{（ｋ，Ｎ）}）のＭ×Ｎの行列ただしＮ≦Ｍであり、ＳはＮ個の成分をもつ選択ベクトルであり、Ｕは受信信号（Ｕ_１〜Ｕ_Ｍ）のベクトルであり、
   該ビームシェーピング回路（１）は出力側を有しており、該出力側を介して前記中間信号（Ｉ_ｋ）は、該中間信号（Ｉ_ｋ）に含まれるシンボルを推定するために信号処理ユニット（６）へ供給され、
   該推定は動作フェーズ中に行われ、動作フェーズ中、各周期内で各々個別の第２の空間的共分散行列（Ｒ _ｘｘ ）を生成し、該第２の空間的共分散行列（Ｒ _ｘｘ ）を用いて固有ベクトルの固有値が計算され、前記選択ベクトル（Ｓ）の各成分を該成分に対応する固有ベクトルの固有値に基づき決定するようにして、前記選択ベクトルＳが当該各動作フェーズ 中、周期的に新たに決定しなおされ、
   所定数のタイムスロットに亘って、前記動作フェーズ中各周期毎に形成された前記第２の空間的共分散行列（Ｒ _ｘｘ ）が加算されて、得られた加算値が、加算された前記共分散行列の個数によって除算されるようにして、前記初期化フェーズ中、前記平均化された空間的共分散行列
   

   

   が形成されることを特徴とする、
   無線受信機のための無線信号評価装置。
9. １つの同じ加入者局（ＭＳｋ）にそれぞれ割り当てられたＮ個のウェイトベクトルを記憶するための記憶素子（１０）が設けられており、
   前記ビームシェーピング回路（１）は前記選択ベクトル（Ｓ）のための制御入力側を有しており、該選択ベクトル（Ｓ）の成分により、個々のウェイトベクトル（ｗ^{（ｋ，１）}，ｗ^{（ｋ，２）}〜ｗ^{（ｋ，Ｎ）}）各々の値が決定されて、前記中間信号（Ｉ_ｋ）が形成される、請求項８記載の装置。
10. 前記ビームシェーピング回路は２つの回路段を有しており、１番目の回路段は、受信信号をＮ個のウェイトベクトル（ｗ^{（ｋ，１）}，ｗ^{（ｋ，２）}〜ｗ^{（ｋ，Ｎ）}）のそれぞれ１つで重み付けるためのＮ個の分岐を有しており、２番目の回路段は該Ｎ個の分岐から供給された出力信号（Ｅ_１〜Ｅ_Ｎ）を前記選択ベクトル（Ｓ）により重み付ける、請求項８または９記載の装置。
11. 前記２番目の回路段は最大比合成器である、請求項１０記載の装置。
12. 前記ビームシェーピング回路は積Ｓ Ｗを形成する計算ユニットを有している、請求項１１記載の装置。
13. 移動無線通信システムにおける基地局（ＢＳ）の一部分である、請求項８から１２のいずれか１項記載の装置。

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