JP4147864B2 - 空間角度広がりを推定する方法および受信装置 - Google Patents
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Description
【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N2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N2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e1stおよび2番目に大きい固有値e2ndの比e1st/e2nd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N2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N2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e1stおよび2番目に大きい固有値e2ndの比e1st/e2nd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=(y1, y2, ..., yN)
【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、N2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rijは、次式で求められる。*は、複素共役を表す。
rij = yi × yj *
【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[MD]と[MN]を用いて、次式により実測相関行列RTrialを求めることもできる。
RTrial=([MD]−[MN])
【0024】
算出された相関行列RTrial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=(e1, e2, ..., eN)
【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e1st(以下「第1固有値」という)とe2nd(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REV12を算出する。
REV12 = e1st/e2nd
【0031】
これにより、相関行列から求めた第1固有値e1stと第2固有値e2ndの比REV12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、REV12は、雑音電力の影響を取り除くため、最小固有値eminを用いて次のように算出することもできる。
REV12 = (e1st−emin)/(e2nd−emin)
【0033】
算出された第1・2固有値比REV12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REV12を変数とする空間角度広がり関数AS(REV12)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)=(d1(θ),d2(θ),...,dN(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)=∫θan(θ, σ)・dn(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N2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】
φ0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REV12’(σ)を算出する。
REV12’(σ) = e’1st(σ)/e’2nd(σ)
【0042】
(S361)算出した第1・2固有値比関数REV12’(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REV12を変数とすることにより、角度広がり関数AS(REV12)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REV12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】REV12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
Claims (6)
- 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N2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。 - 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N2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。 - 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e1stおよび2番目に大きい固有値e2ndの比e1st/e2nd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。
- 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N2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。 - 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N2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4に記載の空間角度広がりを推定する受信装置。 - 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e1stおよび2番目に大きい固有値e2ndの比e1st/e2nd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。
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