(57)【要約】 【課題】    フェージング変動に対して迅速に追従することが可能なアダプティブアレーアンテナ装置を提供することにある。【解決手段】  複数のアンテナ、複数のウエイト乗算部、信号合成部、誤差信号導出部、及び、ウエイト演算部を有するアダプティブアレーアンテナ装置において、上記ウエイト演算部は、受信した誤差信号に対して収束状態の判定を行う誤差信号評価部と、該誤差信号評価部からの制御命令に従って、最急降下法(LMS)アルゴリズムによってウエイト更新を行う第１ウエイト更新部と、データベースから適切なウエイトを抽出してウエイト更新を行う第２ウエイト更新部と、を有する。【選択図】  図１
2006050458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナと、上記各アンテナからの受信信号にウエイトをそれぞれ乗算する複数のウエイト乗算部と、該各ウエイト乗算部からの出力を合成する信号合成部と、所定の参照信号と上記信号合成部からの出力信号から誤差信号を導出する誤差信号導出部と、上記各アンテナの受信信号及び上記誤差信号導出部からの誤差信号を用いてウエイトを計算し、計算したウエイトを上記ウエイト乗算部に供給するウエイト演算部と、を有するアダプティブアレーアンテナ装置において、上記ウエイト演算部は、受信した誤差信号に対して収束状態の判定を行う誤差信号評価部と、該誤差信号評価部からの制御命令に従って、最急降下法(LMS)アルゴリズムによってウエイト更新を行う第１ウエイト更新部と、ウエイトデータを格納したデータベースから適切なウエイトを抽出してウエイト更新を行う第２ウエイト更新部とを有することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ装置において、上記第２ウエイト更新部は、上記誤差信号評価部から制御命令を受信すると、上記アンテナの受信信号より到来波の到来方向推定を行う到来方向推定部と、該到来方向推定部の結果を用いてデータキーを算出するデータキー算出部と、該データキー算出部で算出したデータキーを用いて上記データベースから所望のウエイトデータを抽出するデータ抽出部とを有することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ装置において、上記第２ウエイト更新部は、上記アンテナの受信信号のサンプル入力毎に到来波の到来方向推定を行う到来方向推定部と、該到来方向推定部の結果を用いてデータキーを算出するデータキー算出部と、該データキー算出部からのデータキーを格納するバッファと、上記誤差信号評価部から制御命令を受信すると、上記バッファに格納されたデータキーを用いて上記データベースから所望のウエイトデータを抽出するデータ抽出部とを有することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ装置において、上記誤差信号評価部は、上記誤差信号導出部からの誤差信号を用いて平均２乗誤差を演算し、該平均２乗誤差が第１の閾値以下のとき、収束状態を「収束完了」と判定し、上記平均２乗誤差が第１の閾値より大きく且つ第２の閾値以下のとき、収束状態を「収束中」と判定し、上記平均２乗誤差が第２の閾値より大きいとき、収束状態を「収束前」と判定することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項５】
請求項４記載のアダプティブアレーアンテナ装置において、上記誤差信号評価部は、あるサンプル受信時の収束状態が「収束完了」であり、かつ、その直前のサンプル受信時の収束状態が「収束前」である条件を満たすとき、上記第２ウエイト更新部によって更新されたウエイトを上記ウエイト演算部の出力として出力し、上記条件を満たさないとき、上記第１ウエイト更新部によって更新されたウエイトを上記ウエイト演算部の出力として出力することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項６】
複数のアンテナと、上記各アンテナからの受信信号にウエイトをそれぞれ乗算する複数のウエイト乗算部と、該各ウエイト乗算部からの出力を合成する信号合成部と、所定の参照信号と上記信号合成部からの出力信号から誤差信号を導出する誤差信号導出部と、上記各アンテナの受信信号及び上記誤差信号導出部からの誤差信号を用いてウエイトを計算し、計算したウエイトを上記ウエイト乗算部に供給するウエイト演算部と、を有するアダプティブアレーアンテナ装置において、上記ウエイト演算部は、受信した誤差信号に対して収束状態の判定を行う誤差信号評価部と、該誤差信号評価部からの制御命令に従って、直接解法（SMI）アルゴリズムによってウエイト更新を行う第１ウエイト更新部と、データベースから適切なウエイトを抽出してウエイト更新を行う第２ウエイト更新部とを有することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアダプティブアレーアンテナ装置に関し、特に、その指向性制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動通信、特に陸上移動通信においては電波伝播路が見通しになることは殆どなく、建物などの反射、回折、散乱によるマルチパスフェージングが発生する。従って、受信局には所望信号と同時に多くの干渉信号が到来する。このような環境にて、受信局が希望信号を高品質に取り出すための一手法としてアダプティブアレーアンテナがよく知られている。
【０００３】
アダプティブアレーアンテナとは、一般に、複数個のアンテナを配列し、それらの出力の振幅と位相を制御して合成するシステムを指す。アダプティブアレーアンテナは、各アンテナが持つアンテナ間合成比率（ウエイト）を適切に調整するウエイト演算アルゴリズムを使用する。ウエイト演算アルゴリズムは、指向性パターンを操作し、干渉信号レベルを低減しながら、希望信号を効率的に合成することができる。
【０００４】
アダプティブアレーアンテナのウエイト演算アルゴリズムについて現在までに多くのアルゴリズムが提案されている。なかでも、最急降下法（LMS：Least Mean Squares）アルゴリズムは高速にウエイト算出を行うことができるアルゴリズムとして知られており、幅広く用いられている。
【０００５】
図１１はアダプティブアレーアンテナ装置を利用する電波環境を表す図である。異なるＫ個の信号が到来する。信号１は希望信号であり、信号2、・・・、信号Kは干渉信号である。アダプティブアレーアンテナ装置は、Ｍ個のアンテナを有し、Ｋ個の信号から１つの希望信号１を受信する。
【０００６】
図１２を用いて従来のアダプティブアレーアンテナ装置について説明する。アダプティブアレーアンテナ装置は、複数の（Ｍ個の）アンテナ１、各アンテナ１からの受信信号にウエイトをそれぞれ乗算するウエイト乗算部２、各ウエイト乗算部２からの出力を合成する信号合成部３、参照信号と信号合成部３からの出力信号から誤差信号を導出する誤差信号導出部４、及び、各アンテナ１の受信信号及び誤差信号導出部４からの誤差信号を用いてウエイトを計算し、ウエイト乗算部２に新規ウエイトを供給するウエイト演算部５を有する。
【０００７】
図１３は、従来のアダプティブアレーアンテナ装置におけるウエイト更新処理の手順を示す。ステップＳ１にて、受信局の各アンテナ１は受信信号を入力し、ステップＳ２にて、ウエイト更新アルゴリズムによりウエイト更新処理を行う。以下に、ステップＳ１及びＳ２の処理を説明する。受信局の各アンテナ１の受信信号は、次の式の複素信号によって表される。
【０００８】
【数１】
2006050458.tif 000003
【０００９】
時刻tにおける受信信号ベクトルＸ(t)は次式によって表される。
【数２】
2006050458.tif 000004
【００１０】
ここに、Ｔは転置を表す。k番目のアンテナにおける複素信号 xk(t), yk(t)，および複素ウエイトwkは次式の関係にある。
【００１１】
【数３】
2006050458.tif 000005
【００１２】
ここで、上付き添字*は複素共役を示す。よって、Ｍ個のアンテナを有するアダプティブアレーアンテナ装置の出力は次のように表される。
【００１３】
【数４】
2006050458.tif 000006
【００１４】
複素ウエイトベクトルを次の式によって定義する。
【数５】
2006050458.tif 000007
【００１５】
この式を使用すると、数４の式は次のように表される。
【数６】
2006050458.tif 000008
【００１６】
ここで、上付き添字T, Hはそれぞれ転置、複素共役転置を示す。このように、Ｍ個のアンテナを有するアダプティブアレーアンテナ装置の出力は数６の式で表される。
【００１７】
最小２乗誤差法（ＭＭＳＥ：Minimum Mean Square Error）は従来のアダプティブアレーアンテナの代表的な動作基準であり、評価関数は次式で定義される。
【００１８】
【数７】
2006050458.tif 000009
【００１９】
ここで、r(t)は参照信号と呼ばれ、所望のアレー応答を模擬するレプリカである。最小２乗誤差法に基づくアダプティブアレーアンテナ（以下、ＭＭＳＥアダプティブアレーアンテナと表記する）は、アンテナの指向性パターンを操作するために、予備知識として参照信号を必要とする。e(t)は参照信号と実際の出力との差であり、誤差信号と呼ばれる。なお、E[ ]はアンサンブル平均を表す。
【００２０】
信号処理をアナログ的なハードウエアで行う場合には、以上の解析モデルで表されるが、ディジタル計算機やディジタルシグナルプロセッサ（DSP）を用いる場合には、サンプリング操作が必要となる。ｑ番目のサンプリング時刻における信号ベクトル、およびアダプティブアレーアンテナ装置の出力をそれぞれ次式で表す。
【００２１】
【数８】
2006050458.tif 000010
【００２２】
【数９】
2006050458.tif 000011
【００２３】
ここに、TSはサンプリング間隔である。信号をサンプリングすると同時に、繰り返しウエイトを制御する場合には、ｑはサンプリングの番号であるが、繰り返し計算の回数（iteration number）をも意味する。したがって、この場合、ｑ番目のサンプリング時刻におけるウエイトベクトルは次の式によって表される。
【００２４】
【数１０】
2006050458.tif 000012
【００２５】
アダプティブアレーアンテナ装置の出力は次式で表される。
【数１１】
2006050458.tif 000013
【００２６】
ＭＭＳＥアダプティブアレーアンテナは、最適化アルゴリズムに最急降下法(LMS)アルゴリズムを採用することが多い。数７の式のQ(W) を最小とするウエイトW を求めるのが最適化アルゴリズムの役割である。最急降下法(LMS)アルゴリズムは、繰り返し回数を多く必要とするが、単位当りの計算負荷が小さく確実に評価関数の最小点にたどり着くことができる特徴がある。
【００２７】
最急降下法(LMS)アルゴリズムによるウエイト更新式は次のように表せる。
【数１２】
2006050458.tif 000014
【００２８】
μはステップサイズと呼ばれ、ウエイト更新の割合を調整する。μが大きいと収束は速いが、収束後の安定性が失われ、逆にμが小さいと収束後の安定性が良く、収束が遅くなる。すなわち、ステップサイズはトレードオフの関係にある収束応答性と定常安定性を制御する値である。なお、数１３のウエイト更新式は、数７の式をベクトルによる微分演算法を用いて変形して得られた式を使用すると、数１３のウエイト更新式が得られる。
【００２９】
【数１３】
2006050458.tif 000015
【００３０】
ウエイト演算部５は数１３の式に基づきウエイトを演算し、更新を行う。
特許文献１に記載された例では、ウエイトを決定するにあたり、希望信号が到来する前の受信信号を用いて計算可能な演算を先に行い、希望信号の存在する時間において希望信号がなければ出来ない演算を行うよう工夫することで、高速かつ高精度なウエイト演算を可能とする。
【００３１】
【特許文献１】特開平１５−１９８４４８公報
【非特許文献１】菊間信義：“アンテナ・伝播における設計・解析手法 アダプティブアレーアンテナによる適応信号処理,” 科学技術出版, (1998)
【非特許文献１】J.A. Richmond et al.：“Mutual Impedance of Nonplanar-Skew Sinusoidal Dipoles,” IEEE Trans. Antennas Propagat., VOL.AP-23, NO.3, pp.412-414, (May.1975)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
アダプティブアレーアンテナの適応制御アルゴリズムとして、最急降下法(LMS) アルゴリズムは最も一般的である。これは、確実に評価関数の最小点にたどり着くことができる、計算負荷が小さい等の特徴がある。しかし、最急降下法は入射波の到来角が接近している場合、及び、各波の電力比が大きい場合、収束が極端に遅くなるという欠点がある。この問題を克服する方法の一つがサンプル値を用いた直接解法（sample matrix inversion：SMI）であるが、直接解法（SMI）アルゴリズムは計算負荷が大きい欠点がある。
【００３３】
本発明の目的は、従来のアダプティブアレーアンテナの収束性を改善し、フェージング環境においてもウエイトを逐次更新することができ、フェージング変動に対して迅速に追従することが可能なアダプティブアレーアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明によると、複数のアンテナと、上記各アンテナからの受信信号にウエイトをそれぞれ乗算する複数のウエイト乗算部と、該各ウエイト乗算部からの出力を合成する信号合成部と、参照信号と上記信号合成部からの出力信号から誤差信号を導出する誤差信号導出部と、上記各アンテナの受信信号及び上記誤差信号導出部からの誤差信号を用いてウエイトを計算し、計算したウエイトを上記ウエイト乗算部に供給するウエイト演算部と、を有するアダプティブアレーアンテナ装置において、上記ウエイト演算部は、受信した誤差信号に対して収束状態の判定を行う誤差信号評価部と、該誤差信号評価部からの制御命令に従って、最急降下法(LMS)アルゴリズムによってウエイト更新を行う第１ウエイト更新部と、データベースから適切なウエイトを抽出してウエイト更新を行う第２ウエイト更新部と、を有する。
【００３５】
本発明の第１の例によると、上記第２ウエイト更新部は、上記誤差信号評価部から制御命令を受信すると、上記アンテナの受信信号より到来波の到来方向推定を行う到来方向推定部と、該到来方向推定部の結果を用いてデータキーを算出するデータキー算出部と、該データキー算出部で算出したデータキーを用いて上記データベースから所望のウエイトデータを抽出するデータ抽出部とを有する。
【００３６】
本発明の第２の例によると、上記第２ウエイト更新部は、上記アンテナの受信信号のサンプル入力毎に到来波の到来方向推定を行う到来方向推定部と、該到来方向推定部の結果を用いてデータキーを算出するデータキー算出部と、該データキー算出部からのデータキーを格納するバッファと、上記誤差信号評価部から制御命令を受信すると、上記バッファに格納されたデータキーを用いて上記データベースから所望のウエイトデータを抽出するデータ抽出部とを有する。
【００３７】
本発明の他の例によると、第１ウエイト更新部は、最急降下法(LMS)アルゴリズムの代わりに直接解法（SMI）アルゴリズムによってウエイト更新を行う。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によると、フェージング変動に対して迅速に追従する指向性制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
図１は本発明のアダプティブアレーアンテナ装置の概要を説明する図である。本発明のアダプティブアレーアンテナ装置は、複数のアンテナ１、各アンテナ１からの受信信号にウエイトをそれぞれ乗算するウエイト乗算部２、各ウエイト乗算部２からの出力を合成する信号合成部３、参照信号r(t)と信号合成部３からの出力信号y(t)から誤差信号e(t)を導出する誤差信号導出部４、及び、各アンテナ１の受信信号及び誤差信号導出部からの誤差信号e(t)を用いてウエイトを計算し、ウエイト乗算部２に新規ウエイトを供給するウエイト演算部５を有する。
【００４０】
ウエイト演算部５は、最急降下法(LMS)アルゴリズムによってウエイト更新を行う第１ウエイト更新部５Ａとデータベースから適切なウエイトを抽出してウエイト更新を行う第２ウエイト更新部５Ｂを有する。以下に、データベースから適切なウエイトを抽出してウエイト更新を行うことを、単に、データベース法によるウエイト更新と称する。
【００４１】
受信局に設けられたアダプティブアレーアンテナ装置において、各アンテナ１は数１の式の複素信号を受信し、ベースバンド帯域において時間間隔Ｔsでサンプリングする。サンプリング後の信号は数８の式で表される。
【００４２】
本例によると、信号合成のための合成ウエイトを求めるにあたって、一度求めたウエイトを用いて複数アンテナの信号の合成を行い、その合成信号のデータ判定を行う。この判定結果に従い、最急降下法によるウエイト更新を行うか、データベース法によるウエイト更新を行うかを選択する。
【００４３】
先ず、最急降下法によるウエイト更新を行う場合を説明する。ウエイトは、前述した従来手法により次式で決定する。
【００４４】
【数１４】
2006050458.tif 000016
【００４５】
【数１５】
2006050458.tif 000017
【００４６】
【数１６】
2006050458.tif 000018
【００４７】
e(q),r(q),y(q)は、それぞれ誤差信号、参照信号、及び、出力信号である。数１６の式は、数１３の式と同一である。
【００４８】
データベース法によるウエイト更新を行う方法を説明する。まずビームフォーマ（beamformer）法による到来方向推定を行う。ビームフォーマ法は最も基本的で伝統的な到来方向推定法で、その名の通り、一様励振（uniform）アダプティブアレーアンテナのメインローブ（メーンビーム）を全方向にわたって走査しアレーアンテナの出力電力が大きくなる方向を探す方法である。ビームフォーマ法により得られる角度スペクトラムPBFは次式で表される。
【００４９】
【数１７】
2006050458.tif 000019
【００５０】
a(θ)はモードベクトル（mode vector）、Rxxは相関行列と呼ばれ、それぞれ次式で定義される。
【００５１】
【数１８】
2006050458.tif 000020
【００５２】
【数１９】
2006050458.tif 000021
【００５３】
ここで、λは到来波の波長、dk(k=1,2,….K)は基準点からk番目のアンテナの位置までの距離であり、E[ ]はアンサンブル平均を表す。メインローブを全方向にわたって走査することで数１７の式に示す角度スペクトラムが得られ、得られた角度スペクトラムのピーク位置から到来波１〜到来波K（M≦N）の到来角θ1, θ2,…, θKを推定する。到来角θ1, θ2,…, θKからキーkey1,key2,keykを求める。ここでkはキーの数であり、1≦k≦Kである。
【００５４】
【数２０】
2006050458.tif 000022
求めたキーを用いてデータベースよりウエイトを抽出する。
【００５５】
【数２１】
2006050458.tif 000023
【００５６】
本発明の第１の例によると、信号合成のための合成ウエイトを求めるにあたって、一度求めたウエイトを用いて複数のアンテナ間の信号の合成を行い、その合成信号のデータ判定を行う。この判定結果によって最急降下法によるウエイト更新かデータベース法によるウエイト更新かのいずれかを選択する。     
【００５７】
図２を参照して、図１に示すウエイト演算部５の第１の例の構成を説明する。ウエイト演算部５は、Ｋ個の信号を入力するバッファ１０１、誤差信号を入力するバッファ１０２、誤差信号を評価し、最急降下法によるウエイト更新か、それとも、データベース法によるウエイト更新を行うかを判定し、制御命令を出力する誤差信号評価部１０３、最急降下法によるウエイト更新を行う第１ウエイト更新部５Ａ、データベース法によるウエイト更新を行う第２ウエイト更新部５Ｂ、ウエイトデータを格納するウエイトデータベース１０８、第１ウエイト更新部５Ａから送られるウエイト情報を格納するバッファ１０９、第２ウエイト更新部５Ｂから送られるウエイト情報を格納するバッファ１１０、及び、誤差信号評価部１０３からの制御命令に従ってバッファ１０９又はバッファ１１０に格納されているウエイト情報を選択して出力するウエイト情報選択部１１１を有する。
【００５８】
第１ウエイト更新部５Ａは、誤差信号評価部１０３から制御命令を受信した場合に、バッファ１０１、及び、バッファ１０２のデータを用いて、最急降下法によるウエイト更新を行うＬＭＳ演算処理部１０４を有する。第２ウエイト更新部５Ｂは、誤差信号評価部１０３から制御命令を受信すると、バッファ１０１のデータを用いて到来波の到来方向推定を行う到来方向推定部１０５、到来方向推定部１０５の結果を用いてデータキーを算出するデータキー算出部１０６、データキー算出部１０６で算出したデータキーを用いてデータベースから所望のウエイトデータを抽出するデータ抽出部１０７を有する。
【００５９】
次にウエイト演算部５の動作について説明する。数２２によって表される入力サンプルはサンプリング間隔Tsでウエイト演算部５に到来し、バッファ１０１に格納される。
【００６０】
【数２２】
2006050458.tif 000024
【００６１】
バッファ１０１に格納された入力情報はＬＭＳ演算処理部１０４と到来方向推定部１０５に送られる。同様に誤差信号e(q)はサンプリング間隔Tsでウエイト演算部５に到来し、バッファ１０２に格納される。バッファ１０２に格納された誤差信号e(q)は誤差信号評価部１０３に送られる。誤差信号評価部１０３は、受信した誤差信号に対して収束状態の判定を行い、最急降下法によるウエイト更新演算を行うか、データベース法によるウエイト更新を行うかを判定する。この収束状態の判定方法の詳細は、図３のステップＳ１０２〜ステップＳ１０６である。最急降下法によるウエイト更新演算を行うと決定した場合には、「CASE１実行」の制御命令を生成し、データベース法によるウエイト更新を行うと決定した場合には、「CASE２実行」の制御命令を生成する。
【００６２】
ＬＭＳ演算処理部１０４は、誤差信号評価部１０３から「CASE１実行」の制御命令を受信すると、最急降下法(LMS)によるウエイト更新を行う。ウエイト更新の結果はバッファ１０９に格納される。ＬＭＳ演算処理部１０４は、誤差信号評価部１０３から「CASE２実行」の制御命令を受信した場合には、処理を行わない。
【００６３】
到来波到来方向推定部１０５は、誤差信号評価部１０３から「CASE２実行」の制御命令を受信すると、到来波１〜到来波ｋの到来方向推定を行い、その結果をデータキー部１０６に送信する。データキー部１０６は、到来波１〜到来波ｋの到来方向をデータキーに翻訳する。データ抽出部１０７は、データキー部１０６からのデータキーを用いてウエイトデータベース１０８からウエイト情報を取得する。またこの結果はバッファ１１０に格納される。ウエイト情報選択部１１１は、誤差信号評価部１０３からの制御命令に基づきバッファ１０９に格納されたウエイト情報か、バッファ１１０に格納されたウエイト情報のいずれかを選択し出力する。ウエイト情報選択部１１１の出力は、図１に示すウエイト演算部５の出力となる。
【００６４】
図３を参照して本発明によるウエイト更新処理手順の第１の例を説明する。ステップＳ１０１にて、複数のアンテナ１において受信した複素信号をベースバンド帯域において時間間隔Ｔsでサンプリングした後、ウエイトに基づいてアンテナ間の信号合成を行い、合成出力y(q)を生成する。数１４の式に表されるように、誤差信号e(q)は、参照信号r(q)と合成出力y(q)の差分である。ステップＳ１０２〜ステップＳ１０６では、得られた誤差信号e(q)を基に収束状態の分類を行う。
【００６５】
ステップＳ１０２にて、平均２乗誤差の大きさを閾値1と比較する。平均２乗誤差の大きさが閾値１以下のときには、ステップＳ１０３にて、収束状態を「収束完了」とし、ステップＳ１０７に進む。平均2乗誤差の大きさが閾値１より大きいときには、ステップＳ１０４にて、平均2乗誤差の大きさを閾値２と比較する。平均2乗誤差の大きさが閾値２以下のときには、ステップＳ１０５にて、収束状態を「収束中」とし、ステップＳ１０７に進む。平均２乗誤差の大きさが閾値２より大きいときには、ステップＳ１０６にて、収束状態を「収束前」とし、ステップＳ１０７に進む。
【００６６】
ステップＳ１０７にて、最急降下法によるウエイト更新を行うか、データベース法によるウエイト更新を行うかを決定する。ｑ番目のサンプル受信時の収束状態が「収束完了」であり、かつ、直前の収束状態、すなわちｑ−ｎ番目（ｎは小さな自然数）のサンプル受信時の収束状態が「収束前」であるとの条件を満たすか否かを判定する。
【００６７】
この条件を満たさない場合には、ステップＳ１０８に進み、最急降下法によるウエイト更新を行う。この条件を満たす場合にはステップＳ１０９、Ｓ１１０、Ｓ１１１に進み、データベース法によるウエイト更新を行う。
【００６８】
ステップＳ１０９にて、ビームフォーマ法によるビーム走査と走査パターンのピークサーチを行い、到来波の到来角θ1, θ2,…, θKを推定する。ステップＳ１１０にて、推定した到来角θ1, θ2,…, θKより、取り出すデータのキーを算出する。
【００６９】
ステップＳ１１１にて、算出したキーを用いてデータベースよりウエイトを抽出する。抽出したウエイトによって、現在のウエイトを置き換える。抽出したウエイトは次の式によって表される。
【００７０】
【数２３】
2006050458.tif 000025
【００７１】
図４を参照して、ウエイトデータベース１０８の作成方法について述べる。このデータベースはアダプティブアレーアンテナ装置を立ち上げる前に事前に作成するが、ここで示す例は、到来波１、到来波２、・・・、到来波kの到来角の組み合わせ全てに対して、それぞれ最適ウエイト（Wiener解[1]）の計算を行い、到来波１、到来波２、・・・、到来波kの到来角の組み合わせ数個のデータを作成する。例えば、到来波の数k=3、各到来波の到来角の範囲を−90°〜90°とし、これを1°刻みに分割すれば、１８０の３乗個（５８３２０００）個のデータを作成することになる。
【００７２】
図４のステップＳ３０１〜３０３、およびステップＳ３０６〜３０８は到来波１、到来波２、・・・、到来波kの到来角のループであり、key1,key2,…keykはループ変数であり、ブロック内に書かれている数値は次のような意味である。
変数 = 初期値，終値，増分値
θ1, θ2,…, θKはそれぞれ到来波１、到来波２、・・・、到来波kの到来角である。
【００７３】
到来波１、到来波２、・・・、到来波kの到来角の範囲を-90度〜90度とする。到来角は次の式によって表される。
【００７４】
【数２４】
2006050458.tif 000026
到来角の全ての組み合わせに対して、最適ウエイトを計算する。
【００７５】
【数２５】
2006050458.tif 000027
【００７６】
最適ウエイトの計算は次の式によって行う。
【数２６】
2006050458.tif 000028
【００７７】
ここで、Ps は所望波の電力、Pc は干渉波の電力、 Pnは熱雑音の電力、Vs 、Vc はそれぞれ所望波、干渉波のアレー伝播ベクトル、Iは単位行列、Wopt は最適ウエイトであり、ウイナー解(Wiener解)と呼ばれるものである。なお、Vs 、Vc は到来波の周波数およびアンテナの形状を考慮して、Richmondのモーメント法[2]を用いて計算し、Ps 、Pc 、Pn は想定する電波環境に応じて適宜決定する。
【００７８】
図５は、本発明の第１の例と従来の装置によるウエイト収束特性を示す。実線は本発明の第１の例によるウエイト収束特性を示し、破線は従来の装置によるウエイト収束特性を示す。アンテナ数はＭ＝９、信号数はＫ＝２である。使用したデータベースは到来波ｋ＝２として作成したものである。ここで、横軸は入力サンプル数、縦軸はMSE（平均2乗誤差）である。
【００７９】
図６は、図５の計算のシミュレーション条件である電波環境を示す。本例では、100サンプル入力の度に、所望波、干渉波１、干渉波２の到来方向を変化させる。
【００８０】
図５より、本発明の第１の実施の形態は従来方式を用いた場合よりもウエイト収束特性が改善することがわかる。図６に示すように、周囲の電波環境は、100サンプル入力の度に、変化するため、MSE（平均2乗誤差）は急激に増加する。従って図３のステップＳ１０２の判定処理、およびステップＳ１０４の判定処理はいずれもNOとなり、ステップＳ１０６に進み、収束状態をstatus(q)＝（収束前）に設定する。nサンプル前の時点では収束状態は収束完了となっている、即ちstatus(q−n)＝（収束完了）であるため、ステップＳ１０７の条件判定はYESとなり、ステップＳ１０９、Ｓ１１０、Ｓ１１１のデータベース法によるウエイト更新処理が実施される。
【００８１】
本発明は、周囲の電波環境が少しずつ変化する場合よりも急激に変化する場合に、データベース法によるウエイト更新が行なわれる可能性が高い。移動体通信への応用を考えた場合、基地局から見通しである移動局（携帯端末）が周囲の建物に隠れ見通しでなくなる状況は十分考えられ、急激な電波環境の変化は移動体通信において頻繁に起こりうる事象であると考えられる。図７は、このような電波環境において本発明の第１の実施の形態の場合は従来方式を用いた場合よりもウエイト収束特性が改善することを示す。
【００８２】
図７は、図５と同様、本発明の第１の例と従来の装置によるウエイト収束特性を示す。本例では、アンテナ数はＭ＝９、信号数はＫ＝３である。図７に示す結果は、データベース作成時に想定した到来波数ｋ＝２が実際の到来波数Ｋ＝３よりも少ないケースである。ここで、横軸は入力サンプル数、縦軸はMSE（平均2乗誤差）である。シミュレーション条件としての周囲の電波環境は図６に示した通りである。
【００８３】
図７より本発明の第１の実施の形態は従来方式を用いた場合よりもウエイト収束特性が改善することがわかる。さらに、図５に示した収束性改善の度合いと、図７に示す収束性改善の度合いはほぼ同程度であり、データベース作成時に想定した到来波数kが実際の到来波数Kに満たない場合でも十分収束性が改善されることがわかる。実際にデータベースを作成する際に到来波数kを大きくとると、必要とするメモリ量の増加を招く。データベース作成時に想定する到来波数kを実際の到来波数Kと同程度とすることは現実問題として困難である。しかし、上記の結果はその必要がないこと、すなわちデータベースのデータ量の節約が可能であることを示すものである。
【００８４】
図８は、図１に示すウエイト演算部５の第２の例の構成を示すブロック図である。ウエイト演算部５は、Ｋ個の信号を入力するバッファ１０１、誤差信号を入力するバッファ１０２、誤差信号を評価し、最急降下法によるウエイト更新か、それとも、データベース法によるウエイト更新を行うかを判定し、制御命令を出力する誤差信号評価部１０３、最急降下法によるウエイト更新を行う第１ウエイト更新部５Ａ、データベース法によるウエイト更新を行う第２ウエイト更新部５Ｂ、ウエイトデータを格納するウエイトデータベース１０８、第１ウエイト更新部５Ａから送られるウエイト情報を格納するバッファ１０９、第２ウエイト更新部５Ｂから送られるウエイト情報を格納するバッファ１１０、誤差信号評価部１０３からの制御命令に従ってバッファ１０９又はバッファ１１０に格納されているウエイト情報を選択し出力するウエイト情報選択部１１１、及び、ウエイトデータベース１０８のウエイトデータを更新するウエイト情報保存部１１３を有する。
【００８５】
第１ウエイト更新部５Ａは、誤差信号評価部１０３から制御命令を受信した場合に、バッファ１０１、及び、バッファ１０２のデータを用いて、最急降下法によるウエイト更新を行うＬＭＳ演算処理部１０４を有する。第２ウエイト更新部５Ｂは、バッファ１０１のデータを用いて到来波の到来方向推定を行う到来方向推定部１０５、到来方向推定部１０５の結果を用いてデータキーを算出するデータキー算出部１０６、データキー算出部１０６からのデータキーを格納するバッファ１１２、及び、誤差信号評価部１０３から制御命令を受信した場合に、バッファ１１２に格納されたデータキーを用いてデータベースから所望のウエイトデータを抽出するデータ抽出部１０７を有する。
【００８６】
本例のウエイト演算部５は、第一の例の場合と異なり、到来方向推定部１０５は、誤差信号評価部１０３からの制御命令を受けずに、サンプル入力の度に到来波の到来方向推定処理を行う。データキー算出部１０６は、同様に、誤差信号評価部１０３からの制御命令を受けずに、到来波の到来方向よりデータキーを算出し、それを、バッファ１１２に格納する。即ち、到来波の到来方向推定処理及びデータキーの算出処理は、ウエイト更新処理に対して、並列的に実行される。従って、本例では、全体の処理時間が短縮される。データ抽出部１０７は、誤差信号評価部１０３からの制御命令を受けると、ウエイトデータの抽出処理を行う。
【００８７】
また本例では、ウエイト情報保存部１１３は、誤差信号評価部１０３からの制御命令２（ON/OFF）に従い、ウエイトデータベース１０８の更新を行う。なお、その他の動作は第一の例の場合と同様である。
【００８８】
図９を参照して本発明によるウエイト更新処理手順の第２の例を説明する。本例のウエイト更新処理手順を図３の第１の例と比較すると、ステップＳ１０１〜Ｓ１０８までは、図３の第１の例と同様である。ステップＳ１０７にて、最急降下法によるウエイト更新を行うか、データベース法によるウエイト更新を行うかを決定する。ｑ番目のサンプル受信時の収束状態が「収束完了」であり、かつ、直前の収束状態、すなわちｑ−ｎ番目（ｎは小さな自然数）のサンプル受信時の収束状態が「収束前」であるとの条件を満たすか否かを判定する。この条件を満たさない場合には、ステップＳ１０８に進み、最急降下法によるウエイト更新を行う。
【００８９】
この条件を満たす場合にはステップＳ１２１、及び、Ｓ１２２の処理を行う。ステップＳ１２１にて、データキーをバッファから読み込み、ステップＳ１２２にて、現在のウエイトを、データベースから取り出したウエイト（数２１）で置き換える。
【００９０】
ステップＳ１０８の最急降下法によるウエイト更新が行われると、ステップＳ１２３にて、収束状態が「収束完了」であるか否かの判定を行う。収束状態が「収束完了」でない場合には、即ち、収束状態が収束中または収束前である場合にはデータベースの更新処理は行わない。収束状態が「収束完了」である場合には、ステップＳ１２４にて、キーをバッファから読み込み、ステップＳ１２５にて、ウエイトデータベースをウエイト(数２３)で上書き更新する。
【００９１】
これらの処理とは独立に、ステップＳ１２６〜Ｓ１２８が並列的に実行される。即ち、ステップＳ１０７の収束状態判定処理の結果を用いることなく、サンプル入力の度に、到来波の到来方向推定とデータキー算出を行う。ステップＳ１２６のビームフォーマ法による到来波到来方向推定処理及びＳ１２７のデータキー算出処理は、図３のステップＳ１０９及びＳ１１０と同様である。ステップＳ１２８にて、算出したデータキーをバッファ１１２に格納する。こうしてバッファ１１２に格納されたデータキーは、ステップＳ１２１及びＳ１２４にて使用される。
【００９２】
ステップＳ１２３にて、誤差信号評価部１０３は、ウエイト更新アルゴリズムの収束状態が「収束完了」である場合は制御命令２＝ON、収束状態が「収束前」または「収束中」である場合は制御命令２＝ON、をウエイト情報保存部１０３に送信する。ステップＳ１２４にて、ウエイト情報保存部１０３は、制御命令２＝ONを受けると、ウエイト情報選択部１１１から受け取ったウエイト情報と、データキー算出部１０６から受け取ったキーをウエイトデータベース１０８に送信する。ステップＳ１２５にて、ウエイトデータベース１０８は、受信したキーの既存データを、ウエイト情報選択部１１１から受け取ったウエイト情報によって上書きする。これにより、システム動作前に作成したデータベースを、システム動作後に、実際の電波環境に適したものへ逐次更新することが可能となる。
【００９３】
本例では、ステップＳ１２６のビームフォーマ法による到来波到来方向推定処理及びＳ１２７のデータキー算出処理は、ステップＳ１０７の収束状態判定処理の結果を用いないから、全体の処理時間が短縮される。以上の処理を、サンプル入力の度ごとに繰り返し実施する。
【００９４】
図１０は、図１に示すウエイト演算部５の第３の例の構成を示すブロック図である。本例のウエイト演算部５は、ＬＭＳ演算処理部１０４の代わりに、ＳＭＩ演算処理部１０４Ａが設けられている。ＳＭＩ演算処理部１０４Ａは誤差信号評価部１０３からCASE１実行の制御命令を受けた場合に直接解法（ＳＭＩ）アルゴリズムに基づき、バッファ１、バッファ２のデータを用いてウエイト算出を行う。ウエイトの更新は次の式により行う。
【００９５】
【数２７】
2006050458.tif 000029
【００９６】
Rxxは相関行列、Iは単位行列、βは、0≦β≦1を満たす実数パラメータ（忘却係数）、rxxは相関ベクトルである。数２７の式によるウエイト更新アルゴリズムは一般に直接解法SMIと呼ばれる。直接解法SMIは、サンプルされた入力データから相関行列、相関ベクトルを推定し、MMSEアダプティブアレーの最適ウエイトの理論式に代入することによって直接、ウエイトの最適値を求める方法である。この他代表的なウエイト更新アルゴリズムとして再帰的最小2乗法（Recursive Least-Squares：RLS）などが知られている。なお、合成信号のデータ判定の方法、データベースを用いたウエイト更新の方法、及び、ウエイトデータベースの作成方法は第１の例と同様である。
【００９７】
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明によるアダプティブアレーアンテナ装置の主要部の構成を示す図である。
【図２】本発明によるウエイト演算部の第１の例の構成を示す図である。
【図３】本発明によるウエイト更新処理手順の第１の例を説明するための説明図である。
【図４】本発明によるアダプティブアレーアンテナ装置において、データベースの作成方法を説明するための説明図である。
【図５】本発明の第１の例と従来の装置によるウエイト収束特性を示す図である。
【図６】シミュレーション条件である電波環境を示す図である。
【図７】本発明の第１の例と従来の装置によるウエイト収束特性を示す図である。
【図８】本発明によるウエイト演算部の第２の例の構成を示す図である。本発明によるウエイト演算部の動作について
【図９】本発明によるウエイト更新処理手順の第２の例を説明するための説明図である。
【図１０】本発明によるウエイト演算部の第３の例の構成を示す図である。
【図１１】アダプティブアレーアンテナ装置の電波環境を示す図である。
【図１２】従来のアダプティブアレーアンテナ装置の主要部の構成を示す図である。
【図１３】従来のウエイト更新処理手順の例を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００９９】
１…アンテナ、２…ウエイト乗算部、３…信号合成部、４…誤差信号導出部、５…ウエイト演算部、５Ａ，５Ｂ…ウエイト更新部、１０１，１０２…バッファ、１０３…誤差信号評価部、１０４…ＬＭＳ演算処理部、１０５…到来方向推定部、１０６…データキー算出部、１０７…データ抽出部、１０８…ウエイトデータベース，１０９，１１０…バッファ、１１１…ウエイト情報選択部、１１２…バッファ、１１３…ウエイト情報保存部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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