(57)【要約】スマートアンテナを使用する移動通信システムで従来技術による干渉問題と位相不整合問題を同時に考慮して順方向伝送ビームを最適化するための装置及び方法を提供する。本発明は、複数のアンテナ素子を備えるアンテナアレイから移動端末機へ伝送する伝送チャンネル信号に対する伝送ビームを形成するための基地局の伝送ビーム形成制御装置であって、移動端末機から受信される受信信号及び逆方向電力制御ビットを利用して移動端末機の方向を推定し、推定された方向に伝送ビーム用加重値ベクトルを計算する伝送ビーム用加重値ベクトル計算機と、加重値ベクトル計算機から計算された加重値ベクトルと伝送チャンネル信号に印加して前記アンテナアレイに出力する伝送ビーム形成器とを含むことを特徴とする。
2005525062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子を備えるアンテナアレイから移動端末機へ伝送する伝送チャンネル信号に対する伝送ビームを形成するための基地局の伝送ビーム形成制御装置であって、
前記移動端末機から受信される受信信号及び逆方向電力制御ビットを利用して前記移動端末機の方向を推定し、前記推定された方向に伝送ビーム用加重値ベクトルを計算する伝送ビーム用加重値ベクトル計算機と、
前記加重値ベクトル計算機から計算された前記加重値ベクトルと伝送チャンネル信号に印加して前記アンテナアレイに出力する伝送ビーム形成器とを含むことを特徴とする装置。 
【請求項２】
前記伝送ビーム形成器は、
前記各アンテナアレイを通じて前記移動端末機から受信される信号と前記移動端末機の逆方向電力制御値及びフレーム誤り率を利用して順方向共分散行列推定値を計算する第１順方向共分散行列計算機と、
他の移動端末機に対する順方向共分散行列推定値を計算する第２順方向共分散行列計算機と、
前記第１及び第２順方向共分散行列計算機から出力される各推定値と共通チャンネル信号に対する加重値ベクトルから前記伝送ビームの最適加重値ベクトルを計算するための最適加重値ベクトル計算機とを含む請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記第２順方向共分散行列計算機は、他の移動端末機に対する送信電力予想平均値を考慮して前記加重値ベクトルを計算する請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記第１順方向共分散行列計算機は、
前記アンテナアレイを通じて前記移動端末機から受信される信号と逆方向電力制御信号を利用して逆方向共分散行列を推定する逆方向共分散行列推定器と、
前記逆方向共分散行列値から信号の到来角を推定する到来角推定器と、
前記逆方向共分散行列値と前記フレーム誤り率を利用して順方向信号のビーム幅を決定するビーム幅推定器と、
前記到来角推定器の出力と前記ビーム幅推定器の出力を利用して順方向共分散行列を合成する順方向共分散行列合成器とから構成される請求項２記載の装置。
【請求項５】
前記最適加重値ベクトル計算機は、前記順方向ビーム形成のための信号対干渉及び雑音比(Signal to Interferance plus Noise Ratio：ＳＩＮＲ)を次のように定義し、前記ＳＩＮＲを最大化する伝送ビームに対する加重値ベクトルを計算する請求項２記載の装置。
【数１】
2005525062.tif 000070
ここで、Ｐｉは前記共通チャンネル信号に対して同位相成分電力で、Ｐｑは前記共通チャンネル信号に対して直交位相成分電力で、Ｐexpは前記基地局によってサービスされるセル内に位置した他の移動端末機に対する前記伝送チャンネル信号による干渉電力で、Ｐocは前記基地局によってサービスされるセルの外部に位置した他の移動端末機に対する前記伝送チャンネル信号による干渉電力である。
【請求項６】
前記最適加重値ベクトル計算機で伝送ビームに対する加重値ベクトルは次の数式によって算出される請求項５記載の装置。
【数２】
2005525062.tif 000071
ここで、
【数３】
2005525062.tif 000072
は前記移動端末機に対する伝送ビームの最適加重値ベクトルで、Ｍは前記基地局がサービス中の移動端末機の数で、Ｒiは前記基地局からサービスを受けるＭつの移動端末機のうちi番目の移動端末機に対する伝送共分散行列で、Ｒocは前記基地局以外の他の基地局からサービスを受ける移動端末機に対する干渉共分散行列値で、Ｗpは共通ビーム加重値ベクトルである。
【請求項７】
前記最適加重値ベクトル計算機は、前記順方向ビーム形成のための信号対干渉及び雑音比(ＳＩＮＲ)を次のように定義し、前記ＳＩＮＲを最大化する伝送ビームに対する加重値ベクトルを算出する請求項２記載の方法。
【数４】
2005525062.tif 000073
ここで、Ｐdは前記伝送チャンネル信号電力で、Ｐexpは前記基地局によってサービスされるセル内に位置した他の移動端末機に対する前記伝送チャンネル信号による干渉電力で、Ｐocは前記基地局によってサービスされるセルの外部に位置した他の移動端末機に対する前記伝送チャンネル信号による干渉電力である。
【請求項８】
前記ＳＩＮＲを最大化する伝送ビームに対する加重値ベクトルの方向は次の数式によって計算される請求項７記載の装置。
【数５】
2005525062.tif 000074
ここで、
【数６】
2005525062.tif 000075
は前記移動端末機に対する伝送ビームの最適加重値ベクトルで、Ｍは前記基地局がサービス中の移動端末機の数で、Ｒiは前記基地局からサービスを受けるＭ個の移動端末機のうちi番目の移動端末機に対する伝送共分散行列で、Ｒocは前記基地局以外の他の基地局からサービスを受ける端末機に対する干渉共分散行列値である。
【請求項９】
前記伝送ビーム用加重値ベクトルは、前記伝送ビーム用加重値ベクトルを計算するときにフレーム誤り率(ＦＥＲ)によりビームの幅を決定する請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記伝送ビーム用加重値ベクトル計算機は、前記伝送チャンネル信号の電力を前記共通チャンネル信号に対して同位相電力成分と直交位相電力成分に区分し、前記同位相電力成分は最大化し、前記直交位相電力成分は最小化して前記共通チャンネル信号と前記伝送チャンネル信号との間の位相不整合を最小化する請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記伝送用ビーム加重値ベクトル計算機は、共通チャンネル信号と前記伝送チャンネル信号との間の位相不整合を最小化するように前記加重値ベクトルを計算する請求項１記載の装置。
【請求項１２】
複数のアンテナ素子を備えるアンテナアレイから移動端末機に伝送する伝送チャンネル信号に対する伝送ビームを形成するための基地局で伝送ビーム形成制御方法であって、
前記移動端末機から受信される受信信号及び逆方向電力制御ビットを利用して前記移動端末機の方向を推定し、前記推定された方向に伝送ビーム用加重値ベクトルを計算する過程と、
前記加重値ベクトル計算機から計算された前記加重値ベクトルと伝送チャンネル信号に印加して前記アンテナアレイに出力する過程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
伝送用ビーム加重値ベクトルは、共通チャンネル信号と伝送チャンネル信号との間の位相不整合を最小化することにより伝送ビーム用加重値ベクトルを計算する請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記伝送ビーム用加重値ベクトルを計算する過程は、
前記各アンテナアレイを通じて前記移動端末機から受信される信号と前記移動端末機の逆方向電力制御値及びフレーム誤り率を利用して第１順方向共分散行列推定値を計算する過程と、
他の移動端末機に対して第２順方向共分散行列推定値を計算する過程と、
前記計算された第１及び第２順方向共分散行列推定値と前記共通チャンネル信号に対する加重値ベクトルから前記伝送ビームの最適加重値ベクトルを計算する過程とを含む請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記第２順方向共分散行列推定値を計算する過程は、他の移動端末機に対する送信電力予想平均値を考慮して前記加重値ベクトルを計算する過程を含む請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記第１順方向共分散行列を計算する過程は、
前記アンテナアレイを通じて前記移動端末機から受信される信号と逆方向電力制御信号を利用して逆方向共分散行列を推定する過程と、
前記推定された逆方向共分散行列値から到来角を推定する過程と、
前記逆方向共分散行列値とフレーム誤り率を利用して順方向信号のビーム幅を決定する過程と、
前記推定された到来角と前記決定されたビーム幅を利用して順方向共分散行列を合成する過程とを含む請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記伝送ビーム用最適加重値ベクトルを計算する過程は、順方向ビーム形成のための信号対干渉及び雑音比(ＳＩＮＲ)を次の数式のように定義し、前記ＳＩＮＲを最大化する伝送ビームに対する加重値ベクトルを計算する過程を含む請求項１４記載の方法。
【数７】
2005525062.tif 000076
ここで、Ｐiは前記共通チャンネル信号に対して同位相成分電力で、Ｐqは前記共通チャンネル信号に対して直交位相成分電力で、Ｐexpは前記基地局によってサービスされるセル内に位置した他の移動端末機に対する前記伝送チャンネル信号による干渉電力で、Ｐocは前記基地局によってサービスされるセルの外部に位置した他の移動端末機に対する前記伝送チャンネル信号による干渉電力である。
【請求項１８】
前記ＳＩＮＲを最大化する伝送ビームに対する加重値ベクトルの方向は次の数式によって算出される請求項１７記載の方法。
【数８】
2005525062.tif 000077
ここで、
【数９】
2005525062.tif 000078
は前記移動端末機に対する伝送ビームの最適加重値ベクトルで、Ｍは基地局がサービス中の移動端末機の数を示し、Ｒiは前記基地局からサービスを受けるＭ個の移動端末機のうちｉ番目の端末機に対する伝送共分散行列で、Ｒocは前記基地局以外の他の基地局からサービスを受ける移動端末機に対する干渉共分散行列値で、Ｗpは共通ビーム加重値ベクトルである。
【請求項１９】
前記伝送ビーム用最適加重値ベクトルを計算する過程は、順方向ビーム形成のための信号対干渉及び雑音比(ＳＩＮＲ)を次の数式のように定義し、前記ＳＩＮＲを最大化する伝送ビームに対する加重値ベクトルを計算する過程を含む請求項１４記載の方法。
【数１０】
2005525062.tif 000079
ここで、Ｐdは前記伝送チャンネル信号電力で、Ｐexpは前記基地局によってサービスされるセル内に位置した他の移動端末機に対する前記伝送チャンネル信号による干渉電力で、Ｐocは前記基地局によってサービスされるセルの外部に位置した他の移動端末機に対する前記伝送チャンネル信号による干渉電力である。
【請求項２０】
前記ＳＩＮＲを最大化する伝送ビームに対する加重値ベクトルの方向は次の数式により算出される請求項１９記載の方法。
【数１１】
2005525062.tif 000080
ここで、
【数１２】
2005525062.tif 000081
は移動端末機に対する伝送ビームの最適加重値ベクトルで、Ｍは前記基地局がサービス中の移動端末機の数で、前記Ｒiは前記基地局からサービスを受けるＭ個の移動端末機のうちｉ番目の移動端末機に対する伝送共分散行列で、Ｒocは前記基地局以外の他の基地局からサービスを受ける移動端末機に対する干渉共分散行列値である。
【請求項２１】
前記伝送ビーム用加重値ベクトルを計算する過程は、前記伝送チャンネル信号の電力を前記共通チャンネル信号に対して同位相電力成分と直交位相電力成分に区分し、前記同位相電力成分は最大化し、前記直交位相電力成分は最小化して前記共通チャンネル信号と前記伝送チャンネル信号との間の位相不整合を最小化する過程を含む請求項１２記載の方法。
【請求項２２】
複数のアンテナ素子を備えるアンテナアレイを持ち、移動端末機と通信を遂行する基地局装置で各移動端末機別に伝送する伝送チャンネル信号に対する伝送ビームを形成するための装置であって、
各アンテナアレイから受信される基底帯域信号を各移動端末機別に区分して出力する受信ビーム形成器と、
前記受信ビーム形成器から受信された各移動端末機別の信号から各移動端末機に対するフレーム誤り率及び順方向電力制御ビットを計算及び抽出を行って出力する基地局モデム受信部と、
前記基底帯域信号と前記モデム受信部の出力を利用して共通チャンネル信号と前記伝送チャンネル信号との間の位相不整合を最小化する伝送ビーム用加重値ベクトル及び伝送ビーム用電力を計算する伝送ビーム制御器と、
各移動端末機別に伝送するデータを生成して出力する伝送チャンネル信号発生器と、
前記伝送チャンネル信号発生器の出力を前記計算された加重値ベクトルを利用して伝送ビームを形成する伝送ビーム形成器とを含むことを特徴とする装置。
【請求項２３】
前記伝送ビーム制御器は、
前記基底帯域信号と前記モデム受信部の出力を利用して共通チャンネル信号と前記伝送チャンネル信号との間の位相不整合を最小化する伝送ビーム用加重値ベクトル計算機と、
前記各移動端末機別の電力制御ビットを利用して伝送ビーム用電力を計算して出力する伝送ビーム用電力計算機とを含む請求項２２記載の装置。
【請求項２４】
前記伝送ビーム用加重値ベクトル計算機は、順方向ビーム形成のための信号対干渉及び雑音比(ＳＩＮＲ)を次の数式のように定義し、前記ＳＩＮＲを最大化する伝送ビームに対する加重値ベクトルを計算する請求項２３記載の装置。
【数１３】
2005525062.tif 000082
ここで、Ｐiは前記共通チャンネル信号に対して同位相成分電力で、Ｐqは前記共通チャンネル信号に対して直交位相成分電力で、Ｐexpは前記基地局によってサービスされるセル内に位置した他の移動端末機に対する前記伝送チャンネル信号による干渉電力で、Ｐocを前記基地局によってサービスされるセルの外部に位置した他の移動端末機に対する前記伝送チャンネル信号による干渉電力である。
【請求項２５】
前記伝送ビーム用加重値ベクトル計算機は伝送ビームに対する加重値ベクトルを次の数式によって計算する請求項２４記載の装置。
【数１４】
2005525062.tif 000083
ここで、
【数１５】
2005525062.tif 000084
は前記移動端末機に対する伝送ビームの最適加重値ベクトルで、Ｍは前記基地局がサービス中の移動端末機の数で、Ｒiは前記基地局からサービスを受けるＭ個の移動端末機のうちｉ番目の移動端末機に対する伝送共分散行列で、Ｒocは前記基地局以外の他の基地局からサービスを受ける移動端末機に対する干渉共分散行列値で、Ｗpは共通ビーム加重値ベクトルである。
【請求項２６】
前記伝送ビーム用加重値ベクトル計算機は、順方向ビーム形成のための信号対干渉及び雑音比(ＳＩＮＲ)を次の数式のように定義し、前記ＳＩＮＲを最大化する伝送ビームに対する加重値ベクトルを計算する請求項２４記載の装置。
【数１６】
2005525062.tif 000085
ここで、Ｐdは前記伝送チャンネル信号電力で、Ｐexpは前記基地局によってサービスされるセル内に位置した他の移動端末機に対する伝送チャンネル信号による干渉電力で、Ｐocは前記基地局によってサービスされるセルの外部に位置した他の移動端末機に対する前記伝送チャンネル信号による干渉電力である。
【請求項２７】
前記ＳＩＮＲを最大化する伝送ビームに対する加重値ベクトルの方向は次の数式によって算出される請求項２６記載の装置。
【数１７】
2005525062.tif 000086
ここで、
【数１８】
2005525062.tif 000087
は前記移動端末機に対する伝送ビームの最適加重値ベクトルで、Ｍは前記基地局がサービス中の移動端末機の数で、前記Ｒiは前記基地局からサービスを受けるＭ個の移動端末機のうちｉ番目の移動端末機に対する伝送共分散行列で、Ｒocは前記基地局の以外の他の基地局からサービスを受ける移動端末機に対する干渉共分散行列値である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスマートアンテナ装置及び方法に関し、特に移動通信システムにおけるスマートアンテナの順方向伝送ビーム形成装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、急激に増大している移動通信に対する需要を満たし、また需要者に多様なマルチメディアサービスを提供するために順方向リンクの容量増大の必要性が大きくなってきている。定められた周波数帯域幅でなるべく多くの加入者容量を確保するための方法では、与えられた周波数帯域幅を通信に必ず必要な周波数チャンネルに分けてそれぞれの加入者がそれぞれの周波数チャンネルを使用する周波数分割多重化方式(Frequency Division Multiple Access：ＦＤＭＡ)や、一つの周波数チャンネルを各加入者が一定時間だけ使用する時分割多重化方式(Time Division Multiple Access：ＴＤＭＡ)などが使用されてきた。また、同一の周波数帯域を使用したが、各加入者別に異なる暗号を割り当てることにより、各加入者を区分する符号分割多重化方式(Code Division Multiple Access：ＣＤＭＡ)も開発された。
【０００３】
しかし、上記のような多重接続技術によって与えられた周波数帯域の使用効率を高める方法だけでは必要な加入者を受容するのに限界があり、このような受容量の限界を克服するために提案された概念がセルラーである。セルラーとは、サービス地域を多数の小区域、すなわちセルに分けて相互に十分に遠く離れた２つのセルで同一の周波数帯域を使用することにより、空間的に分布するチャンネル数を増加させて十分な加入者の受容量を確保できるようにする移動通信方式を意味する。ここで、基地局アンテナをセクター化すれば、基地局通話容量を一層増大させることができる。すなわち、放射(radiation)パターンが３６０゜の無指向性アンテナ(omnidirectional antenna)を、例えば１２０゜の３つの方向性セクターアンテナに変えることにより、基地局を多重セクター化するものである。特に、ＣＤＭＡシステムでは基地局アンテナをセクター化すれば、他のセクターの加入者からの雑音が減少して基地局通話容量を増大させることができる。
【０００４】
上記のような従来の無指向性アンテナやセクターアンテナは共通チャンネル信号と伝送チャンネル信号をすべて単一共通ビームを通じて移動端末機に伝送する。共通チャンネル信号はパイロット(Pilot)チャンネル信号、同期(Sync)チャンネル信号、呼出し(Paging)チャンネル信号のように基地局からセル内のすべての移動端末機に伝送すべき信号であり、伝送チャンネル信号は特定移動端末機に伝送されるべきトラヒック(Traffic)チャンネル信号を意味する。このとき、基地局送信アンテナで共通チャンネル信号のように所定の信号をすべての移動端末機へ送信する場合でなく、伝送チャンネル信号のように希望する特定移動端末機に特定の信号を共通チャンネルのような方式で送信する場合はその移動端末機に対する放射エネルギーを除いた相当量の放射エネルギーが無駄になる。無駄になるだけでなく、このような放射エネルギーは該当移動端末機を除いた他の移動端末機には干渉信号として作用するようになる。
【０００５】
したがって、伝送チャンネル信号を所定手段によって希望する特定移動端末機の方向のみに送信することができれば、小さい送信パワーで良質の通話品質を維持し、他の移動端末機への干渉信号を減少することにより、つまり容量を増大させる効果が得られるようになる。このような概念に基づいたものが、知能形アンテナ(Intelligent Antennas)あるいはスマートアンテナ(Smart Antenna)とも呼ばれる適応配列アンテナ(Adaptive Array Antennas)である。
【０００６】
スマートアンテナシステムは、上述したように与えられた信号環境に反応して自分の放射ビームパターンを自動的に変化させる知能形アンテナシステムである。スマートアンテナシステムは複数のアンテナ素子を特定形態で配列して各アンテナ素子の出力に複素加重値を乗算して希望する移動端末機の方向にアンテナのビームを形成させる技術である。
【０００７】
上記のようなスマートアンテナシステムは広範囲の移動通信分野で使用できる技術であるが、ここでは便宜上符号分割多重化(ＣＤＭＡ)方式のセルラー移動通信を仮定して説明する。また、スマートアンテナシステムは逆方向リンクではできるだけ基地局で希望する移動端末機の方向から伝えられる信号のみを受信し、順方向リンク上では希望する移動端末機の方向のみに電力を集中させて電波を放射させる技術で、以下では主に順方向伝送ビーム形成の場合を仮定して説明する。
【０００８】
ＣＤＭＡ移動通信システムにおいて、スマートアンテナの順方向伝送ビーム形成に関する方法が米国特許番号第６,１０８,５６５号に開示されている。この特許は、移動端末機から基地局のアンテナアレイに受信される各信号から信号到来角(Angle Of Arrival：ＡＯＡ)と到着時間(Time Of Arrival：ＴＯＡ)を推定して順方向伝送ビーム形成情報を計算する。そして、この特許では信号到来角と到着時間の計算された結果に従って、各移動端末機に対する順方向伝送ビームを形成する方法を開示している。すなわち、共通チャンネル信号は広いビーム、すなわち共通ビームを通じて伝送され、各移動端末機に対する伝送チャンネル信号は上記で計算された順方向伝送ビーム形成情報によって決定された狭いビーム、すなわち伝送ビームに伝送される。狭いビームのビーム幅は移動端末機と基地局との間の距離によって決定されるが、距離が近いほどビーム幅が広くなり、距離が遠いほどビーム幅が狭くなる。また、伝送チャンネル信号に対する狭いビームのビーム幅は逆方向に報告されたFER(Frame Error Rate)に従って広くなり、あるいは狭くなるように調整される。
【０００９】
ところで、順方向伝送ビーム形成の場合、セル内のすべての端末機に対する共通パイロットチャンネル(Common Pilot Channel)のみを提供する場合と各端末機が同期検波(Coherent Detection)を容易にするように各端末機別に専用パイロットチャンネル(Dedicated Pilot Channel)を提供する場合に分けて考えられる。専用パイロットチャンネルが提供される場合には専用パイロットチャンネルと伝送チャンネルが同一の伝送ビームを使用するようになるので、両チャンネル間の位相整合が保障される。しかしながら、専用パイロットチャンネルが提供されず、共通パイロットチャンネルのみが提供される場合は共通パイロットチャンネルと伝送チャンネルが相違した順方向伝送ビームを使用するようになるので、両チャンネル間に位相不整合(Phase Mismatch)が存在するようになる。このような位相不整合は変調方式によりその余波が異なるようになる。一般に、移動通信システムで変調方式はＢＰＳＫまたはＱＰＳＫ(これを“ＭＰＳＫ”と総称する)などを使用する。上記したＭＰＳＫ方式を使用する場合には共通チャンネル信号と伝送チャンネル信号との間の位相差を最小化しなければビット誤り率(Bit Error Rate：ＢＥＲ)が最小化することができない。すなわち、不整合が最小化すると、希望する通話品質が得られる。したがって、一般の移動通信システムでは位相不整合を最小限に減少することが望まれる。 
【００１０】
一方、ＣＤＭＡのような移動通信システムで他の使用者間の信号は相互に干渉信号に該当するので、通話チャンネル容量を増加させるためにはこのような干渉を良く制御すべきである。特に、最近音声に比べて大きな電力を有するデータ通信に対する需要が増加するにしたがって大きな干渉信号が問題になっている。スマートアンテナシステムは伝送チャンネル信号を希望する特定移動端末機の方向のみに送信するように順方向伝送ビームを形成し、このような干渉信号を画期的に減少するためのものである。しかしながら、実際には希望する特定端末機に対する伝送チャンネル信号がある程度セル内外の他の端末機へ流出されるので、希望しない干渉が起こるようになる。上記の米国特許の順方向伝送ビーム形成方法ではこのような干渉について考慮しなかったので、これに対する対策が求められる。
【００１１】
一方、上記のように位相不整合を最小化するために伝送ビーム幅を共通ビーム幅だけ広げると、他の端末機に対する干渉が大きくなり、干渉を最小化するために伝送ビーム幅を狭くすると、共通パイロットチャンネル信号との位相不整合が大きくなることがわかる。すなわち、上記の２つの条件は相互協議(Trade-off)関係にあるので、最適の伝送ビームを形成するためには２つの条件を共に考慮するのが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって本発明の目的は、スマートアンテナを使用する移動通信システムで従来技術による干渉問題と位相不整合問題を同時に考慮して順方向伝送ビームを最適化するための装置及び方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、アンテナアレイを備える基地局装置で移動端末機に対する伝送チャンネル信号のうち共通チャンネル信号に対する同位相成分電力は最大化し、直交位相成分電力と前記移動端末機に対する伝送チャンネル信号によるセル内外の他の移動端末機に対する干渉電力との和を最小化するための伝送ビームの加重値ベクトルの方向を算出する装置及び方法を提供することにある。
【００１４】
また本発明の他の目的は、アンテナアレイを備える基地局装置で専用パイロットチャンネルが提供される場合、希望する特定移動端末機に対する伝送チャンネル信号がセル内外の他の移動端末機に流出されることにより、発生する干渉電力を最小化するように伝送ビームの加重値ベクトルの方向を算出する装置及び方法を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、アンテナアレイを備える基地局装置で特定移動端末機に対する伝送チャンネル信号を伝送するための伝送ビームに対する加重値ベクトルの方向と大きさ(Magnitude)をそれぞれ独立的に算出する装置及び方法を提供することにある。
【００１６】
さらに本発明の目的は、アンテナアレイを備える基地局装置で基地局によってサービスされる複数の移動端末機に対する各伝送ビームの加重値ベクトルを各移動端末機別に独立的に算出するための装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するために本発明は、複数のアンテナ素子を備えるアンテナアレイから移動端末機へ伝送する伝送チャンネル信号に対する伝送ビームを形成するための基地局の伝送ビーム形成制御装置であって、前記移動端末機から受信される受信信号及び逆方向電力制御ビットを利用して前記移動端末機の方向を推定し、前記推定された方向に伝送ビーム用加重値ベクトルを計算する伝送ビーム用加重値ベクトル計算機と、前記加重値ベクトル計算機から計算された前記加重値ベクトルと伝送チャンネル信号に印加して前記アンテナアレイに出力する伝送ビーム形成器とを含むことを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、複数のアンテナ素子を備えるアンテナアレイから移動端末機に伝送する伝送チャンネル信号に対する伝送ビームを形成するための基地局で伝送ビーム形成制御方法であって、前記移動端末機から受信される受信信号及び逆方向電力制御ビットを利用して前記移動端末機の方向を推定し、前記推定された方向に伝送ビーム用加重値ベクトルを計算する過程と、前記加重値ベクトル計算機から計算された前記加重値ベクトルと伝送チャンネル信号に印加して前記アンテナアレイに出力する過程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、共通ビームと伝送ビームとの間の位相不整合及び伝送ビームが異なる端末機に及ぼす干渉の影響を最小化する最適の伝送ビームを形成することができる。すなわち、性能のよい順方向伝送を達成し、その上移動通信システムの容量増大、通話品質の向上、端末機の送信電力の節約などの効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明において、関連した公知機能あるいは構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断された場合、その詳細な説明は省略する。
【００２１】
本発明では２つの観点で、下記のように説明する。まず、一つの観点として専用パイロットチャンネルがなく、共通パイロットチャンネルのみが存在する場合に最適伝送加重値ベクトルを計算する方法について説明する。また他の観点として、従来技術で説明した特別の場合で、専用パイロットチャンネルが存在する場合について説明する。本発明は、現在の移動通信システム、すなわちＦＤＭＡ、ＴＤＭＡ、ＣＤＭＡなどに一般的に適用可能であるが、説明の便宜上、ＣＤＭＡシステム、その中でも特に３Ｇ ＣＤＭＡ移動通信システム(ＣＤＭＡ２０００,ＷＣＤＭＡ)を基準として説明する。一方、共通ビームに対する加重値ベクトルの方向と大きさは公知の手段によって予め計算されて定められていると仮定する。
【００２２】
図１に本発明による順方向スマートアンテナのチャンネルモデルを示す。
図１は、セル内にＭ個の端末機ＭＳi（ｉ＝１，２，…，Ｍ）が基地局ＢＳと交信を行っていると仮定する場合、順方向スマートアンテナのチャンネルモデルを示すものである。ｓm(t)は基地局ＢＳからｍ番目の移動端末機ＭＳmに対する順方向トラヒックチャンネル信号を、ｈmは基地局ＢＳからｍ番目の移動端末機ＭＳmまでの順方向チャンネル応答ベクトルを、Ｗmは基地局ＢＳからｍ番目の移動端末機ＭＳmに対する順方向加重値ベクトルを、それぞれ示す。そして、基地局ＢＳから他のセルに位置した多数の移動端末機へのチャンネル応答ベクトルをｈocで示す。
【００２３】
基地局ＢＳで多数のアンテナ要素からなるアンテナアレイを通じて移動端末機に向けて順方向伝送を行う信号を伝送信号ベクトルｓ(t)とするとき、このｓ(t)は共通加重値ベクトルＷp を有する共通チャンネル信号ｓp(ｔ)と個別的に伝送加重値ベクトルＷi（ｉ＝１，２，…，Ｍ）を有するトラヒックチャンネル信号ｓi(ｔ)(ｉ=１，２，…，Ｍ)との線形結合からなる。すなわち、下記の＜数式１＞のように示す。
【００２４】
【数１】
2005525062.tif 000003
【００２５】
ここで、共通チャンネル信号としてはパイロットチャンネル信号、同期チャンネル信号、呼出しチャンネル信号などがあるが、説明の便宜上、パイロットチャンネルのみを表示することにする。パイロットチャンネル信号ｓp(t)はセル内の移動端末機に同期復調(Coherent Demodulation)のための時間及び位相基準を提供するために無指向性ビームまたはセクタービーム(Sector Beam)に伝送される信号である。したがって、それに対する加重値ベクトルＷpはセルの内部またはセクターの内部をすべてカバーすべきである。本発明では、Ｗpは既に公知の手段を通じて予め計算されていると仮定する。本発明が示すものは、セル内の各移動端末機に伝送されるトラヒックチャンネル信号ｓi(ｔ)(ｉ＝１，２，…，Ｍ)に対する伝送加重値ベクトルＷi(ｉ＝１，２，…，Ｍ)を最適基準によって求める方法である。以下、説明の便宜上Ｍ個の移動端末機のうちｍ番目の移動端末機ＭＳmに対する伝送加重値ベクトルＷmを求める方法に限って説明する。他の移動端末機に対する伝送加重値ベクトルも同一の方法で求められることはもちろん、それにより本発明の目的のように各移動端末機に対する伝送加重値ベクトルを独立的に求めるようになる。
【００２６】
基地局で送信されたｓ(t)が無線チャンネルを通じて伝えられてｍ番目の移動端末機ＭＳｍで受信される信号ｒm(t)は、次の数式のようである。
【００２７】
【数２】
2005525062.tif 000004
ここで、＊は共役(conjugate)演算子を、ＨはHermitian演算子を示す。 
【００２８】
信号ｒm(t)は、下記の＜数式３＞のようにパイロットチャンネル信号ｒp(t)、ｍ番目の移動端末機ＭＳmに対するトラヒックチャンネル信号ｒd(t)、及び他の移動端末機に伝送される信号がｍ番目の移動端末機ＭＳmに流入された干渉信号のｒimp (t)などに分けられる。
【００２９】
【数３】
2005525062.tif 000005
【００３０】
上記＜数式３＞に示すようなｍ番目の移動端末機ＭＳmで受信される各信号の電力を表示すれば、下記の＜数式４＞のように示し、ここでＰpはパイロットチャンネル信号電力で、Ｐdはトラヒックチャンネル信号電力で、Ｐimpは干渉信号電力である。
【００３１】
【数４】
2005525062.tif 000006
【００３２】
ここで、Ｒmはｍ番目の移動端末機ＭＳmに対する順方向伝送共分散行列として
【数５】
2005525062.tif 000007
で、Ｓpは基地局で送信するパイロットチャンネル信号の電力として
【数６】
2005525062.tif 000008
である。また、Ｓiは基地局でi番目の移動端末機ＭＳiに送信する順方向トラヒックチャンネル信号の電力として
【数７】
2005525062.tif 000009
で表示され、Ｓmはそのうちのｍ番目の移動端末機ＭＳmに送信する順方向トラヒックチャンネル信号の電力である。
【００３３】
専用パイロットチャンネルが存在せず、共通パイロットチャンネルのみが存在する場合に共通パイロットチャンネルに適用された加重値ベクトルＷpとトラヒックチャンネルに適用された加重値ベクトルＷmが一般的に異なるので、＜数式３＞に示すｍ番目の移動端末機ＭＳmで受信されるパイロットチャンネル信号とトラヒックチャンネル信号との間に位相差(Phase Mismatch)が発生する。ここで、信号自体のｓp(t)とｓm(t)による位相変化は除外する。
【００３４】
ところで、トラヒックチャンネルはパイロットチャンネルによって同期するので、共通パイロットチャンネル信号は移動端末機での位相基準となる。したがって、＜数式３＞のトラヒックチャンネル信号のうちパイロットチャンネル信号に位相が整合される成分は信号成分として作用するようになるが、パイロットチャンネル信号に位相が整合されない成分は雑音成分として作用するようになる。ここで、パイロットチャンネル信号に位相整合される成分を同位相(In-phase)の成分とし、パイロットチャンネル信号に位相が整合されない成分を直交位相(Quadrature-phase)の成分とする。これを考慮して＜数式４＞のトラヒック信号電力Ｐdを同位相電力Ｐiと直交位相電力Ｐqに分けて計算すれば、下記の＜数式８＞のように示す。 
【００３５】
【数８】
2005525062.tif 000010
ここで、
【数９】
2005525062.tif 000011
に正規化したパイロットチャンネルの加重値ベクトルである。
【００３６】
一方、基地局ＢＳで送信されたｓ(t)のうちｍ番目の移動端末機ＭＳmのみに送信されるべきトラヒックチャンネル信号
【数１０】
2005525062.tif 000012
がセル内の他の移動端末機ＭＳi(ｉ＝１，２，…，Ｍ、ｉ≠ｍ)に流出されて起こす干渉信号ｒexp(t)と他のセルに属する移動端末機に流出されて起こす干渉信号ｒoc(t)を、下記の＜数式１１＞のように示す。
【００３７】
【数１１】
2005525062.tif 000013
【００３８】
このようにセルの内部及び外部の他の端末機に流出されて起こす干渉信号の各電力は、下記の＜数式１２＞のように示す。
【数１２】
2005525062.tif 000014
【００３９】
＜数式１２＞において、Ｒocは他のセル内の移動端末機に対する順方向伝送共分散行列であって、
【数１３】
2005525062.tif 000015
のように示す。
【００４０】
また、他の多数の基地局からの干渉信号を含んで移動端末機内で熱雑音が発生するが、これを下記の＜数式１４＞のように示す。
【数１４】
2005525062.tif 000016
【００４１】
上記に示す信号及び干渉電力を利用して伝送ビーム用加重値ベクトルを計算する。まず、ｍ番目の移動端末機ＭＳmに対する伝送ビーム用加重値ベクトルの方向を計算するために順方向ビーム形成(Forward Link Beam Forming：ＦＬＢＦ)のためのＳＩＮＲ(Signal to interference plus Noise Ratio)を示すと、下記の＜数式１５＞の通りである。
【００４２】
【数１５】
2005525062.tif 000017
【００４３】
【数１６】
2005525062.tif 000018
は該当移動端末機ＭＳmで実際に測定できる値ではない。しかしながら、＜数式１５＞で
【数１７】
2005525062.tif 000019
を最大化するためには同期検波時に基準位相のパイロットチャンネル信号の位相に対して同位相成分電力Ｐiは最大化しつつ、直交位相成分電力Ｐqと該当移動端末機ＭＳmに送信される信号がセル内外の他の移動端末機に流出されて起こす干渉電力ＰexpとＰocとの和を最小化しなければならない。したがって、システムの全体的な面からみるとき、移動端末機ＭＳmにおける実際
【数１８】
2005525062.tif 000020
が大きくなる効果をもたらすようになる。したがって、実際に
【数１９】
2005525062.tif 000021
の代わりに上記のように定義して使用することが可能である。
【００４４】
上記のように定義することにより、
【数２０】
2005525062.tif 000022
を最大化する伝送ビーム用加重値ベクトルＷmを求めると、その値がパイロットチャンネル信号とトラヒックチャンネル信号との間の位相不整合と異なる移動端末機に対する干渉信号の電力を最小化する最適加重値ベクトル
【数２１】
2005525062.tif 000023
となって、本発明が図る目的を達成可能であることがわかる。
【００４５】
また、上記の
【数２２】
2005525062.tif 000024
は共通ビーム用加重値ベクトルＷpが与えられたとき、ｍ番目の移動端末機ＭＳmに対する伝送ビーム用加重値ベクトルＷmのみの関数となって各移動端末機別に独立的な最適化が可能であるという長所がある。特に、＜数式１５＞からわかるように、
【数２３】
2005525062.tif 000025
は基地局から該当移動端末機までの順方向チャンネル応答ベクトルＷmの大きさと該当移動端末機に対する順方向トラヒックチャンネル信号Ｓｍに関係なく順方向チャンネル応答ベクトルＷmの方向のみに依存するようになる。それにより、順方向チャンネル応答ベクトルＷmの方向を大きさとは独立的に計算できることがわかる。
【００４６】
上記の＜数式１５＞において、順方向最適加重値ベクトル
【数２４】
2005525062.tif 000026
は
【数２５】
2005525062.tif 000027
を最大化する値として選んで計算した結果は、次の＜数式２６＞のようである。ここで、中間計算過程は省略するようにする。 
【数２６】
2005525062.tif 000028
【００４７】
＜数式２６＞に使用された共分散行列は他の手段、例えば移動端末機ＭＳmから基地局ＢＳにフィードバックされる順方向共分散行列またはこれと均等な情報を使用することができる。また、移動端末機から基地局にフィードバックされる情報がない場合には基地局で移動端末機から受信された信号をもって推定して使用することができる。これについて、次に詳細に説明する。そして、ｍ番目の移動端末機で受信された信号γmは
【数２７】
2005525062.tif 000029
を最大化するＷ’mを求めた後、共通ビームと伝送ビームとの間の位相を追加的に調整するための値である。
【００４８】
以上に専用パイロットチャンネルが存在せず、共通パイロットチャンネルのみが存在する場合における最適加重値ベクトル計算過程を説明した。ところで、専用パイロットチャンネルが存在する場合であれば、同期検波時に位相基準になる専用パイロットチャンネルに対する加重値ベクトルはトラヒックチャンネルに適用される加重値ベクトルと位相が同一である。したがって、専用パイロットチャンネルが存在すれば、専用パイロットチャンネルとトラヒックチャンネルの位相不整合問題は発生しない。したがって、＜数式８＞は次の＜数式２８＞のように示す。
【００４９】
【数２８】
2005525062.tif 000030
【００５０】
したがって、順方向ビーム形成のための
【数２９】
2005525062.tif 000031
は下記の＜数式３０＞のように定義される。 
【数３０】
2005525062.tif 000032
【００５１】
専用パイロットチャンネルが存在する場合のトラヒックチャンネルに対する最適加重値ベクトルは、下記の＜数式３０＞の
【数３１】
2005525062.tif 000033
を最大化する値で、＜数式３２＞のように求められる。
【数３２】
2005525062.tif 000034
【００５２】
以上に説明したように専用パイロットチャンネルがない場合と専用パイロットチャンネルが存在する場合により順方向ビームを形成するために＜数式２６＞と＜数式３２＞に示したように、順方向伝送共分散行列Ｒｍ(ｍ＝１，２，…，Ｍ)とＲOC、すなわち
【数３３】
2005525062.tif 000035
が必要である。今までは逆方向(Reverse Link：ＲＬ)の信号と順方向(Forward Link：ＦＬ)の信号を区分しなくても混乱の恐れがないので、表記の簡便化のために区分しなかった。しかしながら、今後は順方向に対しては上付きの文字ＦＬを使用し、逆方向に対しては上付きの文字ＲＬを使用して区分する。既に記載したようにこのような情報が移動端末機から提供される場合にはその値をその通りに利用することができる。一方、上記情報が提供されない場合、基地局は移動端末機から受信された信号から順方向共分散行列を推定すべきである。ところで、逆方向受信信号から得られるものは逆方向共分散行列
【数３４】
2005525062.tif 000036
なので、移動端末機ＭＳmの伝送電力
【数３５】
2005525062.tif 000037
をまず推定して除去する必要がある。
【００５３】
現行の移動通信標準規格上、基地局ＢＳが移動端末機ＭＳmの送信電力
【数３６】
2005525062.tif 000038
を直接に受ける手段はない。その代わり、基地局ＢＳが逆方向電力制御のためにスロットごとに移動端末機ＭＳmに送る逆方向電力制御ビットを利用して間接的に移動端末機の送信電力
【数３７】
2005525062.tif 000039
を推定することができる。
【００５４】
図２は、逆方向電力制御ビットから移動端末機ＭＳmの伝送電力
【数３８】
2005525062.tif 000040
を推定する概念について示すものである。
【数３９】
2005525062.tif 000041
はスロット時点ｔk(ｋ＝１，２，…)ごとに基地局ＢＳがｍ番目の移動端末機ＭＳmに伝送する逆方向電力制御ビットを意味する。移動端末機の伝送電力は図２に示したように
【数４０】
2005525062.tif 000042
によって一定比率で増減するが、移動端末機の伝送電力
【数４１】
2005525062.tif 000043
は下記の＜数式４２＞のように求められる。
【００５５】
【数４２】
2005525062.tif 000044
【００５６】
ここで、“Increment”は逆方向電力制御ビット当たり増加または減少する送信電力比率(単位、dB)を示し、Ｓoは最初伝送電力を示す。この＜数式４２＞は基地局ＢＳで計算可能な値であり、これにより基地局ＢＳは移動端末機の伝送電力を推定することができる。＜数式４２＞は逆方向電力制御ビットの伝送及び復調上に誤りがないと仮定して得られた式である。しかしながら、逆方向電力制御ビット伝送に誤りがある場合でも逆方向電力制御のフィードバック作用によってすぐ実際値が回復可能である。
【００５７】
ｍ番目の移動端末機から受信された逆方向トラヒックチャンネルの電力
【数４３】
2005525062.tif 000045
が推定されると、それによりｍ番目の移動端末機から逆方向チャンネルの伝送共分散行列
【数４４】
2005525062.tif 000046
を計算することができる。また、ｍ番目の移動端末機から逆方向チャンネルの伝送共分散行列
【数４５】
2005525062.tif 000047
から到来角とビーム幅などを推定する。そして、この推定された到来角とビーム幅から送受信周波数の帯域差などを考慮して共分散行列を合成することによりｍ番目の移動端末機への順方向チャンネルの伝送共分散行列
【数４６】
2005525062.tif 000048
を推定することができる。
【００５８】
他のセル内の移動端末機に対する伝送共分散行列Ｒocの場合も上記と類似した方法を使用する。しかし、セル内外の移動端末機の送信電力を一々にわかることは難しい。この場合、他のセル内の移動端末機に対する伝送共分散行列Ｒocの予想平均値を予め定めて適用するしかない。一般に、他のセルからの干渉は空間上均一であると仮定するので、上記のように予想平均値を適用しても大きな無理がないと見られる。
【００５９】
今まで、専用パイロットチャンネルが提供されない場合には共通パイロットチャンネル信号とトラヒックチャンネル信号との間の位相不整合と他の端末機に対する干渉信号問題を同時に考慮する方法と、専用パイロットチャンネルが提供される場合には干渉信号問題を考慮して順方向ビーム形成(ＦＬＢＦ)を通じて最適の伝送ビーム用加重値ベクトルの方向を求める方法について説明した。今からは順方向電力制御(Forward Link Power Control：ＦＬＰＣ)を利用して伝送ビーム用加重値ベクトルの大きさを計算する過程について説明する。
【００６０】
下記の＜数式４８＞はセル内のｍ番目の移動端末機ＭＳmに対する順方向電力制御のための
【数４７】
2005525062.tif 000049
の一例である。
【数４８】
2005525062.tif 000050
【００６１】
ここで、
【数４９】
2005525062.tif 000051
はｍ番目の移動端末機ＭＳmで直接に測定できる値である。順方向電力制御のための
【数５０】
2005525062.tif 000052
の定義は具現されるシステムごとに少しずつ異なるが、本発明では既存のＣＤＭＡシステムに備えられる順方向電力制御機能をそのまま活用するので、具体的な
【数５１】
2005525062.tif 000053
の定義は本発明で大きく重要でない。
【００６２】
ｍ番目の移動端末機ＭＳmは
【数５２】
2005525062.tif 000054
の目標値と現在測定された値を比較し、その結果により順方向電力制御ビット
【数５３】
2005525062.tif 000055
を決定する。基地局ＢＳは順方向電力制御ビット
【数５４】
2005525062.tif 000056
を逆方向チャンネルを通じて受信し、それにより順方向トラヒックチャンネルの信号電力
【数５５】
2005525062.tif 000057
すなわち伝送ビームに対する加重値ベクトルＷmの大きさを決定するようになる。
【００６３】
上記のように順方向ビーム形成を通じて各移動端末機別に最適加重値ベクトルの方向を計算し、順方向電力制御を通じて希望する基地局伝送電力を独立的に計算することにより本発明で提示した順方向ビーム形成アルゴリズムを採択したスマートアンテナは無指向性アンテナまたはセクターアンテナに比べて最小の基地局伝送電力で希望するＳＩＮＲを達成することができる。これは、セル内により多くの移動端末機を加入させうることを意味し、つまり加入者の容量増加とのスマートアンテナの目標を達成するようになる。
【００６４】
以下、本発明による具体的な一実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。 
図３は、本発明の実施形態によるアレイアンテナを備える基地局伝送装置の構成を示すものである。図示のように、基地局の伝送装置は大きくアンテナアレイ３００、ＲＦ部３１０、伝送ビーム形成器３２０、伝送ビーム制御器３３０、共通チャンネル信号発生器３４０、伝送チャンネル信号発生器３５０、受信ビーム形成器３６０、そして基地局モデム受信部３７０を含んで構成される。現在、基地局はセル内のＭ個の移動端末機と交信していると仮定する。
【００６５】
アンテナアレイ３００はＮ個の同一のアンテナ素子からなると仮定する。アンテナアレイは送信アンテナアレイと受信アンテナアレイに分けて考えられるが、ここでは送信アンテナアレイを例に挙げて説明する。しかしながら、アレイアンテナのハードウェア自体はデュープレクサを利用して送受信共同に使用するのが普通である。アンテナアレイ３００は伝送ビーム形成器３２０によって形成された方向にビームを伝送する機能を遂行する一方、セル内外の多数の移動端末機から受信されたＲＦ信号を該当するＲＦ部３１０にそれぞれ出力する。
【００６６】
ＲＦ部３１０はアンテナアレイ３００のＮ個のアンテナ素子にそれぞれ対応するＮつのＲＦ部で構成され、一つのＲＦ部は一つのアンテナ素子と連結される。各ＲＦ部３１０は図示していないが、低雑音増幅器、周波数下向変換器、Ａ/Ｄ変換器などを備える。このような各ＲＦ部３１０はアンテナアレイ３００を通じて移動端末機から受信される信号を基底帯域ディジタル受信信号ｘに変換して出力する。
【００６７】
受信ビーム形成器３６０はＲＦ部３１０から出力された基底帯域ディジタル受信信号ｘの入力を受けて各移動端末機別にビーム形成された出力ｚi(i＝１，２，…，Ｍ)に変換して基地局モデム受信部３７０に出力する。受信ビーム形成器３６０はアンテナアレイ３００を通じて各移動端末機から受信された信号方向に基づいて信号を増幅し、あるいは除去できる空間フィルタ(spatial filter)の機能をする。説明の便宜上、図示しないが、多重経路フェージング(multipath fading)による干渉信号を除去するためにレイク(ＲＡＫＥ)受信器を使用する場合に受信ビーム形成器３６０は一般にレイク受信器の各フィンガー内の復調器前後に位置される。
【００６８】
基地局モデム受信部３７０は、各移動端末機別にビーム形成された出力ｚi(i＝１，２，…，Ｍ)から該当移動端末機の音声またはデータを復調する。また、基地局モデム受信部３７０は該当移動端末機から伝送された順方向電力制御ビット
【数５６】
2005525062.tif 000058
を復旧し、該当移動端末機に対するＳＩＮＲを測定して逆方向電力制御ビット
【数５７】
2005525062.tif 000059
を定める。また、上位層(layer)の助けによって該当移動端末機から伝送された順方向ＦＥＲ(Frame Error Rate)を復旧する。
【００６９】
伝送ビーム制御器３３０は伝送ビームの形成を制御するための加重値ベクトルを計算するが、共通ビーム用加重値ベクトル計算機３３１、伝送ビーム用加重値ベクトル計算機３３３、共通ビーム用電力計算機３３５、及び伝送ビーム用電力計算機３３７などを備える。本発明の実施形態でこれら計算機はハードウェアで示したが、ソフトウェアでも具現できることはもちろんである。
【００７０】
伝送ビーム形成器３２０は共通ビーム形成を行う共通ビーム形成器３２３とＭ個の移動端末機に対するそれぞれの伝送ビームを形成するＭ個の伝送ビーム形成器３２５及びこれから生成された共通ビームとＭ個の伝送ビームを合わせてＭ個の順方向伝送ビームを形成した後、前記Ｎ個のＲＦ部３１０のそれぞれに対応して出力するＮ個の加算器３２１を含むように構成される。
【００７１】
以下、上記のような構成を有する基地局の伝送ビーム形成動作を具体的に説明する。
アンテナアレイ３００のＮ個のアンテナ素子を通じてセル内外の多数の移動端末機から受信されたＲＦ信号は、ＲＦ部３１０を通じて基底帯域ディジタル受信信号ｘに変換されて受信ビーム形成器３６０と伝送ビーム用加重値ベクトル計算機３３３に入力される。この伝送ビーム用加重値ベクトル計算機３３３は各ＲＦ部３１０からの基底帯域ディジタル受信信号ｘと基地局モデム受信部３７０から出力される各逆方向電力制御ビット
【数５８】
2005525062.tif 000060
の入力を受けて上記した方法に従って各順方向伝送共分散行列
【数５９】
2005525062.tif 000061
を計算する。専用パイロットチャンネルが提供されない場合には＜数式２６＞を利用して順方向伝送共分散行列を計算する。一方、専用パイロットチャンネルが提供される場合にはこの＜数式３２＞を使用して順方向伝送共分散行列を計算する。したがって、伝送ビーム用加重値ベクトル計算機３３３に上記した２つの計算方法をすべて備えるように構成し、必要によって選択的に使用可能にする。他の方法では、特定システムで該当する方式の計算方法のみを備えるようにして使用することもできる。このような方法を通じて、各移動端末機に対する最適の伝送ビーム用加重値ベクトルＷi(i＝１，２，…，Ｍ)を実時間で計算して対応する各伝送ビーム形成器３２５に出力する。
【００７２】
伝送ビーム用電力計算機３３７は順方向電力制御ビット
【数６０】
2005525062.tif 000062
を基地局モデム受信部３７０からの入力を受けて各移動端末機に対する伝送ビーム用電力Ｓi(i＝１，２，…，Ｍ)を計算し、これを各伝送チャンネル信号発生器３５０に出力する。各伝送チャンネル信号発生器３５０では単位大きさを有する各伝送チャンネル信号に各伝送ビーム用電力Ｓi(i＝１，２，…，Ｍ)の二乗根を乗算して得られる伝送チャンネル信号Ｓi(i＝１，２，…，Ｍ)を対応する各伝送ビーム形成器３２５に出力する。
【００７３】
伝送ビーム形成器３２５では後述するように各移動端末機に対する最適の伝送ビーム用加重値ベクトルＷi(i＝１，２，…，Ｍ)と伝送チャンネル信号Ｓi(i＝１，２，…，Ｍ)とを乗算して伝送ビームを形成する。そして、上記したように形成された各伝送ビームをアンテナアレイ３００のＮ個のアンテナ素子に対応するように各加算器３２１に出力する。
【００７４】
共通ビームに対する加重値ベクトルは共通ビーム用加重値ベクトル計算機３３１と共通ビーム用電力計算機３３５によって決定される。共通ビーム用加重値ベクトル計算機３３１はセルまたはセクターをカバーできる共通ビーム用加重値ベクトルＷpを予め計算して共通ビーム形成器３２３に出力する。一方、共通ビームに対する電力Ｓp は前記共通ビーム用電力計算機３３５で予め計算されて共通チャンネル信号発生器３４０に出力される。共通チャンネル信号発生器３４０では単位大きさを有する各共通チャンネル信号に共通ビーム用電力Ｓpの二乗根を乗算して得られる共通チャンネル信号Ｓpを共通ビーム形成器３２３に出力する。前記共通ビーム形成器３２３では共通チャンネル信号Ｓpに前記共通ビーム用加重値ベクトルＷpを乗算した後、アンテナアレイ３００のＮ個のアンテナ素子に対応する各加算器３２１に出力する。
【００７５】
各加算器３２１は共通ビーム形成器３２３と各伝送ビーム形成器３２５の出力を合わせて基地局伝送信号ベクトルｓ(t)を形成した後、該当する各ＲＦ部３１０に出力する。基地局で移動端末機への伝送信号ベクトルｓ(t)は各ＲＦ部３１０でＤ/Ａ変換器、周波数上向変換器、電力増幅器などを経て電力増幅したアナログＲＦ信号に変換されてアンテナアレイ３００を通じて順方向チャンネルにセル内の端末機に伝送される。
【００７６】
図４は伝送ビーム用加重値ベクトル計算機３３３の一実施形態であって、Ｍ個の端末機ＭＳi(i＝１，２，…，Ｍ)に対する各順方向共分散行列を逆方向基地局受信信号ベクトルｘから推定する方法及び装置について示すものである。既に記述したように本発明の実施形態のように逆方向基地局受信信号から推定することもできるが、順方向共分散行列は移動端末機から直接フィードバックを受け、あるいは他の方法によって求めることもできる。また、伝送ビーム用加重値ベクトル計算機３３３が図４ではハードウェアで具現されることを示したが、ソフトウェアでも具現されることはもちろんである。
【００７７】
図４を参照すれば、伝送ビーム用加重値ベクトル計算機３３３はＭ個の移動端末機ＭＳi(i＝１，２，…，Ｍ)に対応する各Ｍ個の順方向共分散行列計算機４００とＭ個の最適加重値ベクトル計算機４２０及び他のセル共分散行列計算機４１０を備える。順方向共分散行列計算機４００のそれぞれは逆方向共分散行列推定器４０１、到来角推定器４０３、ビーム幅推定器４０５、及び順方向共分散行列合成器４０７などで構成される。
【００７８】
逆方向共分散行列推定器４０１は基底帯域ディジタル受信信号ベクトルｘの入力を受けて該当ｉ番目の移動端末機ＭＳiに対する共分散行列
【数６１】
2005525062.tif 000063
をまず計算する。そして、逆方向共分散行列推定器４０１は逆方向電力制御ビット
【数６２】
2005525062.tif 000064
を利用して移動端末機伝送電力
【数６３】
2005525062.tif 000065
を推定した後、ｉ番目の移動端末機の逆方向伝送共分散行列
【数６４】
2005525062.tif 000066
を計算する。逆方向共分散行列推定器４０１は、上記したように計算された逆方向伝送共分散行列を到来角推定器４０３とビーム幅推定器４０５に出力する。到来角推定器４０３とビーム幅推定器４０５は逆方向共分散行列推定値
【数６５】
2005525062.tif 000067
から該当移動端末機に対する到来角推定値ＡＯＡiとビーム幅推定値ＢＷiを計算して順方向共分散行列合成器４０７に出力する。ビーム幅推定器４０５はいずれの理由でもＦＥＲが急に大きくなる異常状況の発生時に移動端末機から伝えられる順方向
【数６６】
2005525062.tif 000068
からこれを感知してビーム幅を一定量だけ広げたり狭めたりすることにより、前記状況に適切に対処することができる。
【００７９】
順方向共分散行列合成器４０７では入力された到来角推定値ＡＯＡiとビーム幅推定値ＢＷiから順方向共分散行列推定値
【数６７】
2005525062.tif 000069
を合成して最適加重値ベクトル計算機４２０に出力する。このとき、送受信周波数帯域が相互に異なるＦＤＤ(Frequency Division Multiplexing)システムの場合、順方向共分散行列合成器４０７で送受信周波数の差に対する補償が遂行される。
【００８０】
他のセル共分散行列計算機４１０は基底帯域ディジタル受信信号ベクトルｘの入力を受けてi番目の移動端末機ＭＳiに対する伝送チャンネル信号が他のセル移動端末機に及ぼす干渉に対する共分散行列推定値Ｒocを計算して最適加重値ベクトル計算機４２０に出力する。逆方向共分散行列及び他のセル共分散行列を推定することは既存の公知技術が活用可能であり、その一例として“Performance Analysis of CDMA Mobile Communication Systems using Antenna Arrays”, B. Suard, A. Naguib, G,Xu, A. Paulraj, Proc ICASSP, 1993に開示されている方法を活用することもできる。
【００８１】
最適加重値ベクトル計算機４２０は順方向共分散行列計算機４００からのｉ番目の移動端末機ＭＳiに対する順方向共分散行列推定値Ｒiと他のセル共分散行列計算機４１０からの推定値Ｒoc及び前記共通ビーム用加重値ベクトル計算機３３１からの共通ビーム用加重値ベクトルＷpの入力を受けて＜数式２６＞または＜数式３２＞により最適の加重値ベクトルＷiを計算して該当する伝送ビーム形成器３２５に出力する。
【００８２】
図５は、ｍ番目の移動端末機ＭＳmに対する伝送ビーム形成器３２５を示すものである。基地局のアンテナアレイがＮ個のアンテナ素子を備えると仮定したとき、伝送ビーム形成器３２５は各アンテナ素子に対応するＮ個の複素乗算器５１０を含んで構成される。ｍ番目の移動端末機ＭＳmに対する伝送ビーム用加重値ベクトルＷmは各アンテナ素子に対応してＮ個の要素に分離されて各複素乗算器５１０に入力される。ここで、Ｗm＝［Ｗm,1Ｗm,2…Ｗm,N-1Ｗm,N］T で表示されるが、これについては既に公知の技術なので、その詳細な説明は省略する。複素乗算器５１０ではｍ番目の移動端末機ＭＳmに対するトラヒックチャンネル信号ｓm(t)と加重値ベクトルＷmの各要素が複素乗算(Complex Multiplication)された後、該当加算器３２１に出力される。
【００８３】
図５には、ｍ番目の移動端末機ＭＳmに対する伝送ビーム形成器３２５のみを示すが、Ｍ個の他の移動端末機に対するそれぞれの伝送ビーム形成器も同一の構成を有し、共通ビーム形成器３２３も同一の構成を有する。
【００８４】
図６と図７は、４つのアンテナ要素を持ち、これら要素間の間隔が各反波長の基地局線形アンテナアレイで順方向伝送ビームの数が２つの場合を仮定したとき、従来方法によって形成された順方向伝送ビームパターンと本発明によって形成された順方向伝送ビームパターンをそれぞれ示すものである。図６に、移動端末機から基地局に受信された信号から到来角とビーム幅のみを考慮して順方向伝送ビームを形成する場合を示す。図７に、本発明により順方向伝送ビームを形成する場合を示す。実線で示す順方向伝送ビーム６１０及び７１０は到来角-４０゜、ビーム幅２０゜の場合で、点線で示す順方向伝送ビーム６２０及び７２０は到来角０゜、ビーム幅２０゜の場合を仮定する。
【００８５】
図７に示す順方向伝送ビームパターンが図６に示す順方向伝送ビームパターンに比べて伝送角度以外の範囲で約３〜４ｄＢ程度干渉が減少することがわかる。すなわち、本発明により順方向伝送ビームを形成する場合、干渉信号が減少するだけの加入者容量の増大をもたらすようになる。
【００８６】
一方、本発明の詳細な説明では具体的な実施形態について説明したが、本発明の範囲を外れない限り多様な変形が可能であることはもちろんである。特に、本実施形態はスマートアンテナを備える３Ｇ ＣＤＭＡセルラー移動通信システムの基地局を例にして示したが、他の移動通信システムでも具現方式が多少違っても本発明の範囲を外れると見なしてはいけない。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態に局限して定められてはいけないし、特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものによって定めなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明による順方向スマートアンテナのチャンネルモデルを示す図である。
【図２】本発明の実施形態による逆方向送信電力を推定する概念を説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態によるアレイアンテナを備える基地局の伝送装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態による伝送ビーム用加重値ベクトル計算機の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による伝送ビーム形成器の構成を示す図である。
【図６】従来技術による順方向伝送ビームのパターンを大きさ(Magnitude)と角度(Degree)の側面で示すグラフである。
【図７】本発明による順方向伝送ビームのパターンを大きさと角度の側面で示すグラフである。
【符号の説明】
【００８８】
３００・・・アンテナアレイ、３１０・・・ＲＦ部、３２０・・・伝送ビーム形成器、３２１・・・加算器、３２３・・・共通ビーム形成器、３２５・・・伝送ビーム形成器、３３０・・・伝送ビーム制御器、３３１・・・共通ビーム用加重値ベクトル計算機、３３３・・・伝送ビーム用加重値ベクトル計算機、３３５・・・共通ビーム用電力計算機、３３７・・・伝送ビーム用電力計算機、３４０・・・共通チャンネル信号発生器、３５０・・・伝送チャンネル信号発生器、３６０・・・受信ビーム形成器、３７０・・・基地局モデム受信部、４００・・・順方向共分散行列計算機、４０１・・・逆方向共分散行列推定器、４０３・・・到来角推定器、４０５・・・ビーム幅推定器、４０７・・・順方向共分散行列合成器、４１０・・・セル共分散行列計算機、４２０・・・最適加重値ベクトル計算機、５１０・・・複素乗算器。
【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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【国際調査報告】
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