JP4664961B2

JP4664961B2 - 適応アレーアンテナ・システム

Info

Publication number: JP4664961B2
Application number: JP2007321579A
Authority: JP
Inventors: 勇太中谷; 健戸田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2008160832A

Description

本発明は、適応アレーアンテナ・システムに関する。

移動体通信における伝送信号は、マルチパス伝搬環境に委ねられて伝送される。従って、受信信号を良好に復調するには、複数の伝送経路を経て受信機に到来する信号を適切に処理する必要がある。この点に関し、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：ＯｒｔｈｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式は、当該技術分野で有望視されている技術である。これは、互いに直交関係を維持するよう配置された複数のサブキャリアにデータを乗せて送信し、受信信号をフーリエ変換して復調することで、フェージングに強い通信システムの構築を可能にする。また、この方式は、シンボル毎に一定期間のガードインターバルを設けることで、ガードインターバルの範疇に収まる遅延信号が、サブチャネル間の直交性を乱さないようにすることを可能にする。

受信機に到達する総ての遅延信号（先行波に対して遅れて到来する信号）はガードインターバルの範疇に収まることが理想的であるが、通信環境によっては、ガードインターバルを越えて遅れて到来する信号（パス成分）もあり得る。また、移動体通信環境では、ドップラーシフトに起因する周波数偏移により、受信信号に干渉成分が混入することもある。更に、複数の通信システムが併存する場合には、他システムからの信号が、受信信号に干渉成分として混入する場合もある。例えば、２．４ＧＨｚ帯域を使用する無線ＬＡＮシステムでは、ブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）やアマチュア無線等で使用される信号が混在するので、特に、受信信号に干渉成分が混入しやすい。受信信号に混入する干渉成分は、サブチャネル間の直交性を乱し、送信信号を適切に復元することを妨げてしまうので、適応等価技術や適応アレーアンテナ技術等を利用して、それらを適切に抑圧する必要がある。

干渉成分の抑圧に関し、例えば、非特許文献１は、複数のアンテナ素子からの重み付けされた各受信信号をそれぞれディジタル信号に変換し、アンテナ素子毎に得られた複数のディジタル信号をディジタル処理部に入力し、適応制御を行うことで重み付け係数を調整し、干渉成分を抑圧する（この場合における適応制御については、例えば、非特許文献２及び非特許文献３参照。）。この手法によれば、適応アレーアンテナのアンテナ素子毎に得られる複数のディジタル受信信号を利用するので、非常に高精度な適応制御を行うことが可能になる。
西川、原嘉孝、原晋介、「ドップラーシフト波を抑圧するＯＦＤＭアダプティブアレー」、電子情報通信学会技術報告，Ａ・Ｐ２０００−９０，２０００年１０月Ｊ．Ｓ．Ｃｈｏｗ，Ｊ．Ｍ．Ｃｉｏｆｆｉ，ａｎｄＪ．Ａ．Ｃ．Ｂｉｎｇｈａｍ，"ＥｑｕａｌｉｚｅｒＴｒａｉｎｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓｆｏｒＭｕｌｔｉｃａｒｒｉｅｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ"，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｐｐ．７６１−７６５，１９９３ "ＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＤｉｇｉｔａｌＳｕｂｓｃｒｉｂｅｒＬｉｎｅ"，ＩＴＵ−Ｔ勧告Ｇ．９９２．１，１９９９

しかしながら、従来の手法によれば、複数のアンテナ素子毎にディジタル受信信号を作成する必要がある。このため、例えば、アンテナ素子数に相当する数のアナログ・ディジタル変換器を要し、回路が複雑化し、消費電力、回路規模及びコストが大きくなる等の問題が生じ、これらに配慮しなければならない小型無線機にとっては特に不利になる。

本願課題は、受信信号に含まれる干渉成分を抑制し、小型無線機に有利な適応アレーアンテナ・システムを提供することである。

本発明によれば、
ダイバーシチブランチを形成する少なくとも第１及び第２のアンテナシステムと、前記少なくとも第１及び第２のアンテナシステムからの出力信号を合成する合成手段とを有する適応アレーアンテナ・システムであって、
前記第１及び第２のアンテナシステムの各々が、
複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナ手段と、
前記アレーアンテナ手段に接続され、重み付け合成後のアナログ受信信号を入力信号とするアナログ・ディジタル変換手段と、
前記アナログ・ディジタル変換手段に接続され、前記複数のアンテナ素子に対する重み係数を適応制御する適応アレーアンテナ制御装置と
を有し、
前記適応アレーアンテナ制御装置が、
前記ディジタル信号をフーリエ変換することで、前記アナログ受信信号に含まれる複数のサブキャリアの各々についての信号成分を抽出する抽出手段と、
複数のサブキャリアの内、所定のサブキャリアに対する信号成分を抑圧するように、前記重み係数を調整する適応制御手段と
を有し、
前記適応制御手段が、送信側にてデータを送信するのに使用されないサブキャリアの内、最高周波数あるいは最低周波数を有するサブキャリアに隣接する高周波側あるいは低周波側のサブキャリアの信号成分を抑圧するように、前記重み係数を調整すると共に、
更に、前記適応制御手段が、
前記アンテナ素子の重み係数を変化させる変更手段と、
前記重み係数を変化させる前及び変化させた後の、前記所定のサブキャリアの信号成分に基づいて勾配ベクトルの各成分を算出する勾配算出手段と
を有し、
前記勾配ベクトルに基づいて前記重み係数を更新するよう形成されると共に、逐次更新される前記重み係数の変化量が所定値よりも大きくなった場合に、前記アレーアンテナ手段が無指向性のアンテナパターンを形成するように前記重み係数を調整するように形成されることを特徴とする適応アレーアンテナ・システム
が、提供される。

本発明によれば、消費電力を節約しつつ、受信信号に含まれる干渉成分を抑制することが可能になる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。各図において、例えば、図１には１から始まる参照番号が付され、図２には２から始まる参照番号が付され、以下同様である。

図１は、本願実施例による適応アレーアンテナ・システム１００を示す。概して、このシステム１００は、アレーアンテナ手段１０２と、アレーアンテナ手段１０２の出力に接続されたアナログ・ディジタル変換手段１０４と、アナログ・ディジタル変換手段１０４の出力に接続された適応アレーアンテナ制御装置１０６より成る。本実施例におけるアレーアンテナ手段１０２は、１つの給電アンテナ素子１０８と、複数の無給電アンテナ素子１１０より成る。給電アンテナ素子１０８は、帯域制限及び周波数変換等の処理を行うフロントエンド手段１１２に接続され、フロントエンド手段１１２の出力は、アレーアンテナ手段１０２の出力を形成し、アナログ・ディジタル変換手段１０４に接続される。給電アンテナ素子１０８にて受信される信号は、例えばＯＦＤＭ信号のような、複数の搬送波（サブキャリア）を利用してデータを伝送する信号である。複数の無給電アンテナ素子１１０の各々は、適応アレーアンテナ制御装置１０６により制御されるリアクタンス素子１１１を介して接地電位に接続される。給電アンテナ素子１０８と、複数の無給電アンテナ素子１１０は、互いに電磁的に相互作用し、各アンテナ素子の空間的位置関係及び各リアクタンス素子１１１のインピーダンスに依存して、アンテナの指向性を変化させることが可能な空間合成型のアレーアンテナを形成する。

適応アレーアンテナ制御装置１０６は、アナログ・ディジタル変換手段１０４の出力に接続され、直列のディジタル信号系列を並列の信号系列に変換する直列／並列変換手段１１４を有する。直列／並列変換器１１４の各出力は、高速フーリエ変換手段１１６に接続され、これは、入力信号に対して高速フーリエ変換を実行し、各サブキャリアにより搬送された信号成分を抽出する。サブキャリア毎に抽出された信号成分（サブキャリア成分）は、並列／直列変換手段１１８により、直列の信号系列に変換され、図示されていない後段の処理を経て、送信信号が復元される。

図２に示されるように、ＯＦＤＭ通信方式にて使用される複数のサブキャリアは、一定の周波数間隔で配置され、互いに直交する位置関係で周波数軸上に配置される。すなわち、各サブキャリア同士の間隔は、１つのＯＦＤＭシンボル長に相当する時間の逆数に等しく設定されている。このようにして配置されたサブキャリアの内、総てのサブキャリアにデータが乗せられる（変調される）のではなく、一部のサブキャリアのみがデータ送信に使用され、他のサブキャリアはデータ送信には使用されていない。例えば、直流（ＤＣ）成分に相当するサブキャリアｆ_０は、データ送信には使用されていない。また、高周波側及び低周波側の所定数のサブキャリアは、使用する周波数帯域が隣接するシステムとの干渉等に配慮して、データ送信に使用されていない。データ送信に使用する又は使用しないサブキャリアについては、例えば、ＩＥＥＥ．８０２．１１ａのような規格で定められている。

図示した例では、全部で６４個のサブキャリアを理論上は使用し得るが、その内、ＤＣ成分に関連するｆ_０、高周波側のｆ_２７ないしｆ_３１、及び低周波側のｆ_−２７ないしｆ_−３２の合計１２個のサブキャリアは実際のデータ送信には使用されていない（従って、実際にデータ送信に使用されるのは、６４−１２＝５２個のサブキャリアである。）。６４個のサブキャリアの内、どのサブキャリアが実際のデータ送信に使用されていないかについては、送信側及び受信側で既知である。このように、複数のサブキャリアの内、実際のデータ送信に使用されていないサブキャリア（仮想サブキャリア）の信号成分が抽出され、勾配算出手段１２０に入力される。図示した例では、簡単のため、直流成分に関するｆ_０の信号成分が抽出されているが、他の仮想サブキャリアの信号成分を抽出することも可能である。

勾配算出手段１２０は、抽出した信号成分に対する勾配（ｇｒａｄｉｅｎｔ）ベクトルの各成分を算出する。適応アレーアンテナ制御装置１０６は、各アンテナ素子１１０の重み係数を変化させるための変更手段１２２を有する。変更手段１２２は、更に、バイアス電圧を微小変化させるための第１変更手段１２４と、後述する摂動計算に基づいて重み係数を更新するための第２変更手段１２６を有する。勾配算出手段１２０では、重み係数の微小変化の前後における、仮想サブキャリアの信号成分の変化量が算出され、これに基づいて勾配ベクトルの各成分が算出される。変更手段１２２からのディジタル信号は、ディジタル・アナログ変換手段１２８を通じてアナログ信号に変換された後に、各リアクタンス素子１１１に供給される。各アンテナ素子の重み係数を適切に調整することで、希望波（ｄｅｓｉｒｅｄｗａｖｅ）にビームを向ける、又は非希望波（ｕｎｄｅｓｉｒｅｄｗａｖｅ）にヌル点を合わせるようにして、アレーアンテナの指向性を制御することが可能になる。

上述したように、仮想サブキャリアは、実際のデータ送信には使用されないので、受信信号が復調された際に、仮想サブキャリアの信号成分はゼロになるのが理想的である。しかしながら、受信信号に干渉信号が混入すると、仮想サブキャリアの信号成分はゼロではなくなる。本実施例は、この仮想サブキャリアの信号成分を摂動計算における評価関数とし、仮想サブキャリアの信号成分がゼロに近づくように、重み係数を逐次更新しようとするものである。

図３は、本願実施例による適応アレーアンテナ・システムにて行われる制御動作を示す。このフローは、ステップ３０２から始まり、ステップ３０４，３０６にて初期設定が行われる。具体的には、重み係数の更新ステップ数ｎを１に設定し、１ないしＭまでの数により区別されるＭ個のアンテナ素子の識別番号ｍを０に設定する。また、１つの給電アンテナ素子１０８及びＭ個の無給電アンテナ素子１１０が互いに相互作用することで、全体として無指向性のビームパターンを形成するようなバイアス電圧（又はそれを設定するための制御信号）ｘ^０＝（ｘ_１ ^０，ｘ_２ ^０，．．．，ｘ_Ｍ ^０）が、各リアクタンス素子１１１に与えられる。言い換えれば、無指向性のビームパターンを形成するように、各アンテナ素子の重み係数が調整される。適応アレーアンテナ・システムには、図４に示されるような、１フレームがプリアンブルとそれに続くペイロードより成るＯＦＤＭ信号を受信するものとする。プリアンブルには、送信側及び受信側で既知の信号パターンが含まれている。ペイロードは、複数のシンボルより成り、各シンボルにはガードインターバルとこれに続く有効シンボルが含まれる。

図３のステップ３０８では、ペイロードの中の１シンボル分のディジタル信号が、アナログ・ディジタル変換手段１０４から出力され、直列／並列変換手段１１４を経て、高速フーリエ変換手段１１６にてフーリエ変換される。これにより、例えば６４個総てのサブキャリア毎の信号成分が出力される。

ステップ３１０では、これら総てのサブキャリアの内、仮想サブキャリアの信号成分が、抽出される。図２の例では、例えば、直流成分に相当するｆ_０のサブキャリアに対する信号成分Ｕ_ν ^ｍ（ｎ）が抽出される。ｎは、重み係数の更新ステップ数を表すパラメータであり、目下の場合には１である。１以上の値のｍは、アンテナ素子の識別番号であるが、目下の場合はｍ＝０であり、その信号成分の値が、後述する摂動計算の基準値であることを示す。上述したように、直流成分に対応するｆ_０のサブキャリアだけでなく、高周波側の仮想サブキャリアｆ_２７〜ｆ_３１や、低周波側の仮想サブキャリアｆ_−２７〜ｆ_−３２に関する信号成分を抽出することも可能である。しかしながら、本実施例では、簡単のため、直流成分に関する仮想サブキャリアの信号成分が、抽出されるものとする。なお、サブキャリアの信号成分は、振幅レベルや、電力レベルに基づいて表現される。

ステップ３１２では、アンテナ素子の識別番号ｍが１つインクリメントされ、目下の場合にはｍは１になる。これは、Ｍ個の制御対象となるアンテナ素子の内、最初のアンテナ素子を指定したことに相当する。

ステップ３１４では、ｍ（＝１）番目のアンテナ素子の重み係数（又は重み係数を設定するための制御信号）ｘ_ｍに微小変化Δｘを与える。現段階では、ｍは１であるので、
ｘ_１＝ｘ_１＋Δｘ
となる。これにより、アレーアンテナの指向性が変化する。重み係数は、変更手段１２２における第１変更手段１２４により変化させられる。

ステップ３１６では、変化した指向性を有するアレーアンテナ手段により、次のシンボルに含まれる信号が受信され、高速フーリエ変換手段１１６におけるフーリエ変換が行われる。これにより、総てのサブキャリアの信号成分が出力される。

ステップ３１８では、第１の重み係数を変化させたときの仮想サブキャリアの信号成分Ｕ_ν ^ｍ（ｎ）が抽出される（ｍ＝１，ｎ＝１）。

ステップ３２０では、以前のステップ３１０で求めた仮想サブキャリアの信号成分Ｕ_ν ^０（１）と、今回のステップ３１８で求めた仮想サブキャリアの信号成分Ｕ_ν ^１（１）との差分に基づいて、仮想サブキャリアの信号成分Ｕ_νの勾配ベクトルの第１成分を算出する。すなわち、重み係数を微小変化させる前及び微小変化させた後に求めた仮想サブキャリアの信号成分に基づいて、勾配ベクトルの成分が算出される。勾配ベクトル▽Ｕ_νの各成分は、勾配算出手段ｍ１２０により算出される。例えば、ｎ回目の更新ステップにおける第１成分は、（▽Ｕ_ν）_１＝ΔＵ_ν ^１／Δｘ＝（Ｕ_ν ^１（ｎ）−Ｕ_ν ^０（ｎ））／Δｘである。他の成分についても同様に、（▽Ｕ_ν）_ｊ＝ΔＵ_ν ^ｊ／Δｘ＝（Ｕ_ν ^ｊ（ｎ）−Ｕ_ν ^０（ｎ））／Δｘである（ｊ＝１，２，．．．，Ｍ）。

ステップ３２２では、微小変化させた重み係数ｘ_ｍを微小変化させる前の値に戻す。これにより、アレーアンテナの指向性も元に戻る。

ステップ３２６では、Ｍ個総てのアンテナ素子について、重み係数を微小変化させ、勾配ベクトルのＭ個の成分を総て算出したか否かが判断される。目下の例では、ＮＯであり、ステップ３１２に戻る。そして、次のアンテナ素子の重み係数を微小変化させ、次のシンボルにおける仮想サブキャリアの信号成分を測定し、勾配ベクトルの成分を算出し、微小変化させた重み係数を元に戻す。以下同様な手順が反復される。

ステップ３２６における判定結果がＹＥＳの場合には、ステップ３２８に進み、Ｍ個総てのリアクタンス素子に対する重み係数を次式に従って更新する：
ｘ（ｎ＋１）＝ｘ（ｎ）−μ▽Ｕ_ν
ここで、
ｎは更新ステップ数であり、目下の場合はｎ＝１であり、
μは、更新ステップサイズを表すパラメータである。なお、重み係数の更新は、第２変更手段１３０により行われる。

ステップ３３０では、更新ステップ数ｎを１つインクリメントし、ステップ３３２にて所定の回数Ｎだけ重み係数が更新されたか否かが判定され、Ｎ回更新されていなければステップ３０６に戻り、更新されていればフローは終了する。

仮想サブキャリアの信号成分Ｕ_νは、Ｍ個の重み係数（ｘ_１，ｘ_２，．．．，ｘ_Ｍ）に依存して変化する多変数スカラ関数である。勾配ベクトル▽Ｕ_νは、多変数スカラ関数である仮想サブキャリアの信号成分Ｕ_νにより表現される曲面上のある座標点において、その座標点から最も急激に仮想サブキャリアの信号成分が変化する方向を示す。従って、勾配ベクトル▽Ｕ_νに沿って進めば、仮想サブキャリアの信号成分の最小値に接近することが可能になる。仮想サブキャリアの信号成分を最小にする重み係数は、希望波を良好に受信しつつ、非希望波（干渉波）が抑圧されるような指向性を実現することになる。

図３のフローにて、受信信号のフーリエ変換、及び仮想サブキャリアの信号成分の抽出は、シンボル毎に行われていた。従って、フローの開始（ステップ３０２）から、第１のアンテナ素子の重み係数を微小変化させるまで（ステップ３１２，３１４）の間に、少なくとも１シンボル分の時間を要する。また、Ｍ個のアンテナ素子の重み係数を微小変化させて勾配ベクトルのＭ個総ての成分を算出するのに、少なくともＭシンボル分の時間を要する。従って、１回の重み係数の更新に必要な時間は、少なくともＭ＋１シンボル分の時間となる。

上述したように、仮想サブキャリアは、実際にはデータ送信に使用されないので、ＯＦＤＭ信号中のプリアンブルであってもペイロードであっても、仮想サブキャリアの信号成分はゼロであるのが理想的である。従って、本実施例のように、シンボル毎に仮想サブキャリアの信号成分を抽出し、摂動計算を行えば、わずかＭ＋１シンボル分の期間で重み係数を更新してゆくことが可能になる。ただし、アレーアンテナにおける重み係数の微小変化に対する追従性が良好であることを要する。

一方、プリアンブルに含まれる既知信号を利用して、摂動計算及び重み係数の更新を行うことも可能である。例えば、プリアンブルを受信する毎に、仮想サブキャリアの信号成分を抽出することにすると、１回の重み係数の更新にＭ＋１フレームの長時間を要してしまう。しかしながらこの場合は、プリアンブルに含まれる同一の既知信号に対する仮想サブキャリアの信号成分に基づいて、勾配ベクトルの各成分を計算することができるので、高精度化を図る観点から有利である。

上記の実施例では、仮想サブキャリアの信号成分は、直流成分に対応するサブキャリア（ｆ_０）の信号成分であったが、上述したように、他のサブキャリア（高周波側のｆ_２７ないしｆ_３１、及び低周波側のｆ_−２７ないしｆ_−３２）の信号成分を利用することも可能である。例えば、実際のデータ送信に使用されるサブキャリア近辺の仮想サブキャリアを利用すると、ドップラーシフトの影響をも見出すことが可能になる点で有利である。ドップラーシフトにより受信信号が高周波側にシフトすると、例えば、送信側でサブキャリアｆ_２６に乗せたデータが、受信側ではサブキャリアｆ_２７の信号成分として受信される。受信側で仮想サブキャリアｆ_２７の信号成分を監視していれば、データ送信に使用されていないはずのサブキャリアｆ_２７の信号成分が急激に大きくなるので、ドップラーシフトの影響を受けていることを把握することが可能になる。このことは、高周波側だけでなく、低周波側でも同様である。従って、ドップラーシフトによる影響を考慮する観点からは、実際に使用されるサブキャリアに隣接する仮想サブキャリアの信号成分を、摂動計算における評価関数に使用することが望ましい。

図５は、他の実施例による適応アレーアンテナ・システム５００の概略図を示す。概して、このシステム５００は、１つの給電アンテナ素子５０８と、複数の無給電アンテナ素子５１０を有する。複数の無給電アンテナ素子５１０の各々は、リアクタンス素子５１１を介して接地電位に接続される。給電アンテナ素子５０８は、帯域制限フィルタ５１４に接続される。待機制限フィルタ５１４の出力は、ミキサ５１６の第１入力に接続され、ミキサ５１６の出力はオフセット補償手段５１８を介してアナログ・ディジタル変換手段５０４に接続される。オフセット補償手段５１８は、送信機及び受信機間の搬送波の周波数のずれを補償するためのものである。一方、オフセット補償手段５１８からの補償信号は、ミキサ５１６の第２入力に接続される。帯域制限フィルタ５１４、ミキサ５１６及びオフセット補償手段５１８は、フロントエンド手段５１２を形成する。

アナログ・ディジタル変換手段５０４の出力には、適応アレーアンテナ制御装置５０６が接続され、これは各リアクタンス素子５１１に対するバイアス電圧を、適応的に制御する。適応アレーアンテナ制御装置５０６は、図１にて説明した適応アレーアンテナ制御装置１０６と同様の構成を有する。給電アンテナ素子５０８は、例えばＯＦＤＭ信号のような複数の搬送波（サブキャリア）を利用してデータを伝送する信号を受信する。

送信機及び受信機にて使用する局部発振器（図示せず）の発振周波数は、同一の周波数であることを要する。しかしながら、素子のばらつきや経年変化等に起因して、発振周波数がずれてしまうことがある。このような周波数偏移（周波数オフセット）が大きくなると、仮想サブキャリアの信号成分を正確に抑制することが困難になる。本実施例によれば、受信信号の周波数変換を行う際に、送信機及び受信機間の周波数偏移を調整することができるので、そのような周波数偏移の影響を排除することが可能になる。また、本実施例のように、発振周波数を調整する代わりに、周波数偏移量を考慮して仮想サブキャリアを決定し、その信号成分を小さくするよう適応制御することも可能である。

例えば、仮想サブキャリアｆ_２７の信号成分を抑圧するよう適応制御がなされるべき場合に、受信信号が高周波側にずれて受信され、サブキャリアｆ_２６により搬送された信号成分が、受信側でサブキャリアｆ_２７の信号成分として受信されたとする。この場合に、前者（図５）は、受信機の局部発振周波数を調整して、サブキャリアｆ_２７ではなくサブキャリアｆ_２６の信号成分として、正しく受信するよう補償する。後者の場合には、局部発振周波数を変化させる代わりに、仮想サブキャリアｆ_２８の信号成分を抑圧するよう適応制御する。いずれにせよ、送信機及び受信機間の周波数偏移を考慮して、信号成分を抑圧するサブキャリアを選択し、適応制御をすることが可能である。

図６は、他の実施例による適応アレーアンテナ・システムのブロック図を示す。概して、このシステム６００は、第１のアレーアンテナ・システム６０１と、第２のアレーアンテナ・システム６０３と、両者からの出力を合成する合成手段６１４を有する。第１及び第２のアレーアンテナ・システム６０１，６０３は、同一構成であり、これらはダイバーシチブランチを形成する。第１及び第２の各アレーアンテナ・システムには、１つの給電アンテナ素子６０８と、複数の無給電アンテナ素子６１０が設けられる。複数の無給電アンテナ素子６１０の各々は、リアクタンス素子６１１を介して接地電位に接続される。給電アンテナ素子６０８は、帯域制限及び周波数変換等の処理を行うフロントエンド手段６１２に接続され、フロントエンド手段６１２の出力は、アナログ・ディジタル変換手段１０４に接続される。アナログ・ディジタル変換手段６０４の出力は、各アンテナ素子６１０の重み係数を適応制御する適応アレーアンテナ制御装置６０６に接続される。また、第１及び第２の各アナログ・ディジタル変換手段６０４からの各出力は、重み調整手段６１６，６１８による位相及び振幅の調整を経て、合成手段６１４に入力され、これにより、受信特性を向上させることが可能になる。

本実施例では、各ダイバーシチブランチにおいて、仮想サブキャリアの信号成分を小さくするように重み係数を調整し、各アンテナの指向性を制御する。そして、合成手段６１４にて各ブランチからの信号を合成する。本実施例によれば、ダイバーシチ合成を行う際に、仮想サブキャリアの信号成分を考慮することが可能になる。例えば、仮想サブキャリアの信号成分の小さなブランチを、択一的に選択する又はそれを大きく重み付けして合成することが可能になり、より一層干渉成分の少ない信号に基づいて送信信号を復元することが可能になる。

図７は、本発明に利用することの可能なアレーアンテナ手段の他の構成を示す。この構成は、ＲＦ処理型のシステム（又はフェーズドアレー・システム）を形成する。図示されるように、複数のアンテナ素子７０８の各々に、帯域制限及び周波数変換等の処理を行うフロントエンド手段７１２が設けられる。各フロントエンド手段７１２の出力には、受信信号の振幅及び位相を調整するための重み調整手段７１１が設けられる。各重み調整手段７１１の出力は、総て合成手段７１４に入力され、重み付け合成されたアナログ信号が出力される。このアナログ信号は、後段のアナログ・ディジタル変換手段１０４に入力される。重み調整手段７１１における振幅及び位相の調整は、適応アレーアンテナ制御装置１０６からの制御信号に基づいて行われる。

図１，図５及び図６の空間処理型のシステム及び図７のＲＦ処理型のシステムは、共に、重み付け合成後のアナログ信号を、１つのアナログ・ディジタル変換器で変換し、ディジタル信号処理部（後段の復調回路及び適応アレーアンテナ制御装置）への信号を形成するので、消費電力、回路規模、コスト等の観点から有利である。図７に示すＲＦ処理型のシステムは、振幅及び位相を独立して調整することが可能であり、例えば合成手段７１４にて最大比合成を行うことができるので、図１等のシステムと比較して、高精度な制御を行い得る点で有利である。図１等に示す空間処理型のシステムは、制御する対象がリアクタンス素子のみであるので、簡易なシステム構築を行う観点から有利である（図７のＲＦ処理型では、例えば、アンテナ素子毎に、誘導素子及び容量素子を別々に制御しなければならいが、図１等の空間処理型では容量素子のみを制御すればよい。）。

以上本願実施例による、空間処理型又はＲＦ処理型のアレーアンテナを制御する制御装置は、サブキャリア毎の信号成分を抽出し、その内の仮想サブキャリアの信号成分を測定し、その信号成分を抑制するようにアンテナ素子の重み係数を適応制御する。これにより、消費電力を節約しつつ、受信信号に含まれる干渉成分を抑制することが可能になる。本願実施例により抑圧される干渉成分は、仮想サブキャリアの信号成分として現れるものであれば何でもよいので、干渉の原因によらず、任意の干渉信号を抑制することができる。従って、例えば、ガードインターバルを越えて遅れて到来する信号や、ドップラーシフトに起因して干渉成分となる信号だけでなく、他の通信システムで使用される信号に起因する干渉成分をも抑制することが可能になる。

本願実施例によれば、アンテナ素子の重み係数の更新手順（ステップ３１２以降）に入る前に、アレーアンテナ手段１０２の指向性を無指向性に合わせ、受信信号をフーリエ変換し（ステップ３０８）、仮想サブキャリアの信号成分を抽出している（ステップ３１０）。これにより、干渉の原因となる信号の強度や到来方向等を正確に把握し、以後の重み係数の更新によって、仮想サブキャリアの信号成分を抑圧するように、正確に希望波にビームを向ける、又は非希望波にヌル点を合わせ、受信信号に混入する干渉成分を効果的に抑制することが可能になる。

更に、定期的に又は必要に応じて、アレーアンテナ手段の指向性を無指向性に設定し、図３の初期設定ステップ３０２以降のフローを行うことも有利である。移動体通信における通信環境は、時間と共に変化するためである。通信環境が変わると、受信信号に混入する干渉信号も変化する。従って、摂動計算の基礎となる仮想サブキャリアの信号成分も、通信環境の変化と共に適切に変更することが望ましい。

例えば、重み係数は、無指向性のアンテナパターンから徐々に指向性の強いアンテナパターンを形成するよう逐次更新され、更新ステップ数が増えるほど一定値に収束する傾向がある。しかしながら、更新する前後の重み係数の変化が、過度に大きくなるような場合には、通信環境が変化して、例えば希望波及び非希望波の到来方向や遅延時間等が変化している可能性が高い。そこで、重み係数の変化量が所定値より大きくなったときに、通信環境が変化したものと推定し、アレーアンテナ手段の指向性を無指向性に合わせることが有利である。

また、通信環境が変化すると、希望波及び非希望波の到来方向や遅延時間等が変化することに起因して、仮想サブキャリアの信号成分の大きさも変化する可能性が高い。そこで、仮想サブキャリアの信号成分の変化量が所定値より大きくなった場合に、通信環境が変化したものと推定し、アレーアンテナ手段の指向性を無指向性に合わせることも有利である。

以下、本発明により教示される手段を列挙する。
（付記１）
複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナ手段から出力される、重み付け合成後のアナログ受信信号を入力信号とするアナログ・ディジタル変換手段から出力されるディジタル信号に基づいて、前記複数のアンテナ素子に対する重み係数を適応制御する適応アレーアンテナ制御装置であって、
前記ディジタル信号をフーリエ変換することで、前記アナログ受信信号に含まれる複数のサブキャリアの各々についての信号成分を抽出する抽出手段と、
複数のサブキャリアの内、所定のサブキャリアに対する信号成分を抑圧するように、前記重み係数を調整する適応制御手段
を有することを特徴とする適応アレーアンテナ制御装置。
（付記２）
前記アレーアンテナ手段が、複数のアンテナ素子からの各受信信号を合成することによって、前記重み付け合成後のアナログ受信信号を出力するよう形成されることを特徴とする付記１記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記３）
前記アレーアンテナ手段が、複数の無給電アンテナ素子及び１つの給電アンテナ素子より成ることを特徴とする付記１記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記４）
前記適応制御手段が、直流成分に対応するサブキャリアの信号成分を抑圧するように、前記重み係数を調整するよう形成されることを特徴とする付記１記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記５）
前記適応制御手段が、送信側にてデータを送信するのに使用されないサブキャリアの内、送信側にてデータを送信するのに使用されるサブキャリアに隣接するサブキャリアの信号成分を抑圧するように、前記重み係数を調整するよう形成されることを特徴とする付記１記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記６）
前記適応制御手段が、送信側にてデータを送信するために使用されるサブキャリアの内、最高周波数を有するサブキャリアに隣接する高周波側のサブキャリアの信号成分を抑圧するように、前記重み係数を調整するよう形成されることを特徴とする付記５記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記７）
前記適応制御手段が、送信側にてデータを送信するために使用されるサブキャリアの内、最低周波数を有するサブキャリアに隣接する低周波側のサブキャリアの信号成分を抑圧するように、前記重み係数を調整するよう形成されることを特徴とする付記５記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記８）
前記適応制御手段が、送信機及び受信機間の周波数オフセットを考慮して、信号成分を抑圧するサブキャリアを選択するよう形成されることを特徴とする付記１記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記９）
前記ディジタル信号が、プリアンブル部分及びプリアンブル部分に続くペイロード部分より成り、前記ペイロード部分が複数のシンボルより成り、前記適応制御手段が、前記アンテナ素子数に相当するシンボル数毎に前記重み係数を更新するよう形成されることを特徴とする付記１記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記１０）
更に、前記適応制御手段が、
前記アンテナ素子の重み係数を変化させる変更手段と、
前記重み係数を変化させる前及び変化させた後の、前記所定のサブキャリアの信号成分に基づいて、勾配ベクトルの各成分を算出する勾配算出手段
を有し、前記勾配ベクトルに基づいて、前記重み係数を更新するよう形成されることを特徴とする付記１記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記１１）
前記アレーアンテナ手段が無指向性のアンテナパターンを形成する場合に得られるディジタル信号に基づいて、前記適応制御の初期設定が行われるよう形成されることを特徴とする付記１記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記１２）
抑圧すべき干渉成分の変化量が所定値より大きくなった場合に、前記アレーアンテナ手段が無指向性のアンテナパターンを形成するよう前記重み係数を調整するよう形成されることを特徴とする付記１１記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記１３）
逐次更新される前記重み係数の変化量が所定値より大きくなった場合に、前記アレーアンテナ手段が無指向性のアンテナパターンを形成するよう前記重み係数を調整するよう形成されることを特徴とする付記１１記載の適応アレーアンテナ制御装置。
（付記１４）
ダイバーシチブランチを形成する少なくとも第１及び第２のアンテナシステムと、前記少なくとも第１及び第２のアンテナシステムからの出力信号を合成する合成手段とを有する適応アレーアンテナ・システムであって、前記第１及び第２のアンテナシステムの各々が、
複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナ手段と、
前記アレーアンテナ手段に接続され、重み付け合成後のアナログ受信信号を入力信号とするアナログ・ディジタル変換手段と、
前記アナログ・ディジタル変換手段に接続され、前記複数のアンテナ素子に対する重み係数を適応制御する適応アレーアンテナ制御装置
を有し、前記適応アレーアンテナ制御装置が、
前記ディジタル信号をフーリエ変換することで、前記アナログ受信信号に含まれる複数のサブキャリアの各々についての信号成分を抽出する抽出手段と、
複数のサブキャリアの内、所定のサブキャリアに対する信号成分を抑圧するように、前記重み係数を調整する適応制御手段
を有することを特徴とする適応アレーアンテナ・システム。

図１は、本願実施例による適応アレーアンテナ・システムのブロック図を示す。図２は、ＯＦＤＭ信号に使用されるサブキャリアの配置図を示す。図３は、本願実施例による適応アレーアンテナ・システムにて行われる制御動作のフローチャートを示す。図４は、本願実施例にて使用されるＯＦＤＭ信号の概略図を示す。図５は、他の実施例による適応アレーアンテナ・システムのブロック図を示す。図６は、他の実施例による適応アレーアンテナ・システムのブロック図を示す。図７は、アレーアンテナ手段の他の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１００適応アレーアンテナ・システム
１０２アレーアンテナ手段
１０４アナログ・ディジタル変換手段
１０６適応アレーアンテナ制御装置
１０８給電アンテナ素子
１１０無給電アンテナ素子
１１１リアクタンス素子
１１２フロントエンド手段
１１４直列／並列変換手段
１１６高速フーリエ変換手段
１１８並列／直列変換手段
１２０勾配算出手段
１２２変更手段
１２４第１変更手段
１２６第２変更手段
１２８ディジタル・アナログ変換手段
５００適応アレーアンテナ・システム
５０４アナログ・ディジタル変換手段
５０６適応アレーアンテナ制御装置
５０８給電アンテナ素子
５１０無給電アンテナ素子
５１１リアクタンス素子
５１２フロントエンド手段
５１４帯域制限フィルタ
５１６ミキサ
５１８オフセット補償手段
６００適応アレーアンテナ・システム
６０１第１アンテナシステム
６０３第２アンテナシステム
６０４アナログ・ディジタル変換手段
６０６適応アレーアンテナ制御装置
６０８給電アンテナ素子
６１０無給電アンテナ素子
６１１リアクタンス素子
６１２フロントエンド手段
６１４合成手段
７０８アンテナ素子
７１２フロントエンド手段
７１１重み調整手段
７１４合成手段

Claims

ダイバーシチブランチを形成する少なくとも第１及び第２のアンテナシステムと、前記少なくとも第１及び第２のアンテナシステムからの出力信号を合成する合成手段とを有する適応アレーアンテナ・システムであって、
前記第１及び第２のアンテナシステムの各々が、
複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナ手段と、
前記アレーアンテナ手段に接続され、重み付け合成後のアナログ受信信号を入力信号とするアナログ・ディジタル変換手段と、
前記アナログ・ディジタル変換手段に接続され、前記複数のアンテナ素子に対する重み係数を適応制御する適応アレーアンテナ制御装置と
を有し、
前記適応アレーアンテナ制御装置が、
前記ディジタル信号をフーリエ変換することで、前記アナログ受信信号に含まれる複数のサブキャリアの各々についての信号成分を抽出する抽出手段と、
複数のサブキャリアの内、所定のサブキャリアに対する信号成分を抑圧するように、前記重み係数を調整する適応制御手段と
を有し、
前記適応制御手段が、送信側にてデータを送信するのに使用されないサブキャリアの内、最高周波数あるいは最低周波数を有するサブキャリアに隣接する高周波側あるいは低周波側のサブキャリアの信号成分を抑圧するように、前記重み係数を調整すると共に、
更に、前記適応制御手段が、
前記アンテナ素子の重み係数を変化させる変更手段と、
前記重み係数を変化させる前及び変化させた後の、前記所定のサブキャリアの信号成分に基づいて勾配ベクトルの各成分を算出する勾配算出手段と
を有し、
前記勾配ベクトルに基づいて前記重み係数を更新するよう形成されると共に、逐次更新される前記重み係数の変化量が所定値よりも大きくなった場合に、前記アレーアンテナ手段が無指向性のアンテナパターンを形成するように前記重み係数を調整するように形成されることを特徴とする適応アレーアンテナ・システム。