(57)【要約】【課題】高精度・高分解能でありながら、任意形状のアレーアンテナに適用可能でき、複数の電波伝搬パラメータを一括して推定する。【解決手段】本発明の電波伝搬パラメータ推定装置は、少なくとも伝搬パラメータ粗推定部、クラスタ検出部、探索パラメータ決定部、補間アレー構成部、伝搬パラメータ詳細推定部、パラメータマッチング部、複素振幅詳細推定部を備える。本発明の電波伝搬パラメータ推定装置は、任意形状のアンテナのモードベクトルを、クラスタごとにＵＬＡアンテナのモードベクトルの線形変換に近似する。変更放射方位角または変更到来角の範囲で誤差が最小になるように変換行列Ｇを求める。そして、Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法を用いて放射方位角のモードベクトル、到来角用のモードベクトルを求める。【選択図】図２
2011014980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間を伝搬する素波の数をあらかじめ仮定し、仮定された数の素波ごとの電波伝搬パラメータである前記送信アレーアンテナからの放射方位角、前記受信アレーアンテナへの到来角、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間の素波ごとの伝搬時間もしくは伝搬時間の差（以下、「伝搬遅延」という）、および前記受信アレーアンテナでの複素振幅を、前記受信アレーアンテナの実際の受信データ（以下、「実受信データ」という）と、あらかじめ測定しておいた前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナの実測のモードベクトル（以下、「実モードベクトル」という）を用いて推定する電波伝搬パラメータ推定装置であって、
素波ごとの放射方位角、到来角、伝搬遅延、および複素振幅を粗推定し、粗推定値を求める伝搬パラメータ粗推定部と、
前記粗推定値の放射方位角、到来角、および伝搬遅延が類似する素波同士をまとめて１つ以上のクラスタを生成し、前記クラスタごとに、当該クラスタに属していない素波の粗推定値を用いて当該クラスタに属していない素波による受信データを、前記実受信データから減算してクラスタ受信データを生成するクラスタ検出部と、
前記クラスタ受信データから放射方位角、到来角、または伝搬遅延を個別に推定するための受信データ（以下、「推定対象クラスタ受信データ」という）を生成する探索パラメータ決定部と、
クラスタごとに、
前記粗推定値から、当該クラスタに属する素波の放射方位角または到来角の推定値の平均の方向を求め、
複数個の異なる放射方位角または到来角（以下、「変更放射方位角」または「変更到来角」という）を定め、
前記変更放射方位角ごとまたは前記変更到来角ごとにモードベクトルを、前記実モードベクトルを用いて求め、求めたモードベクトルの組（以下、「実アレー補間行列」という）を生成し、
前記変更放射方位角ごとまたは前記変更到来角ごとに、前記平均の方向に垂直な面に並べられた等間隔線形アレーアンテナ（以下、「ＵＬＡアンテナ」という）のモードベクトル（以下、「ＵＬＡモードベクトル」という）を計算し、ＵＬＡモードベクトルの組（以下、「ＵＬＡ補間行列」という）を生成し、
前記実アレー補間行列と前記ＵＬＡ補間行列との変換行列を求める補間アレー構成部と、
クラスタごとに、放射方位角または到来角を推定するときは前記推定対象クラスタ受信データと前記ＵＬＡモードベクトルと前記変換行列とを用いて推定し、伝搬遅延を推定するときは前記推定対象クラスタ受信データと前記実モードベクトルとを用いて推定する伝搬パラメータ詳細推定部と、
クラスタごとに、前記伝搬パラメータ詳細推定部で個別に推定された放射方位角、到来角、伝搬遅延の組合せを決めることで、素波ごとの放射方位角、到来角、伝搬遅延を求めるパラメータマッチング部と、
クラスタごとに、当該クラスタの前記クラスタ受信データおよび前記パラメータマッチング部で求めた各素波の放射方位角、到来角、伝搬遅延から、複素振幅を推定する複素振幅詳細推定部と
を備える電波伝搬パラメータ推定装置。
【請求項２】
請求項１記載の電波伝搬パラメータ推定装置であって、
前記伝搬パラメータ粗推定部は、ＳＡＧＥ法を用いて粗推定し、
前記伝搬パラメータ詳細推定部は、Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法を用いて推定し、
前記パラメータマッチング部は、Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法を用いて放射方位角、到来角、伝搬遅延の組合せを決める
ことを特徴とする電波伝搬パラメータ推定装置。
【請求項３】
請求項２記載の電波伝搬パラメータ推定装置であって、
前記探索パラメータ決定部は、推定の対象の電波伝搬パラメータの値が同一であって推定の対象でない電波伝搬パラメータが異なる実受信データを平滑化した値を、当該推定の対象の電波伝搬パラメータの値での受信データとすることで、推定対象クラスタ受信データを生成する
ことを特徴とする電波伝搬パラメータ推定装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の電波伝搬パラメータ推定装置であって、
前記変更放射方位角または前記変更到来角は、前記粗推定値から求められた放射方位角または到来角の推定値の平均の方向から±１５度以内の範囲で定められている
ことを特徴とする電波伝搬パラメータ推定装置。
【請求項５】
送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間を伝搬する素波の数をあらかじめ仮定し、仮定された数の素波ごとの電波伝搬パラメータである前記送信アレーアンテナからの放射方位角、前記受信アレーアンテナへの到来角、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間の素波ごとの伝搬時間もしくは伝搬時間の差（以下、「伝搬遅延」という）、および前記受信アレーアンテナでの複素振幅を、前記受信アレーアンテナの実際の受信データ（以下、「実受信データ」という）と、あらかじめ測定しておいた前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナの実測のモードベクトル（以下、「実モードベクトル」という）を用いて推定する電波伝搬パラメータ推定方法であって、
素波ごとの放射方位角、到来角、伝搬遅延、および複素振幅を粗推定し、粗推定値を求める伝搬パラメータ粗推定ステップと、
前記粗推定値の放射方位角、到来角、および伝搬遅延が類似する素波同士をまとめて１つ以上のクラスタを生成し、前記クラスタごとに、当該クラスタに属していない素波の粗推定値を用いて当該クラスタに属していない素波による受信データを、前記実受信データから減算してクラスタ受信データを生成するクラスタ検出ステップと、
前記クラスタ受信データから放射方位角、到来角、または伝搬遅延を個別に推定するための受信データ（以下、「推定対象クラスタ受信データ」という）を生成する探索パラメータ決定ステップと、
クラスタごとに、
前記粗推定値から、当該クラスタに属する素波の放射方位角または到来角の推定値の平均の方向を求め、
複数個の異なる放射方位角または到来角（以下、「変更放射方位角」または「変更到来角」という）を定め、
前記変更放射方位角ごとまたは前記変更到来角ごとにモードベクトルを、前記実モードベクトルを用いて求め、求めたモードベクトルの組（以下、「実アレー補間行列」という）を生成し、
前記変更放射方位角ごとまたは前記変更到来角ごとに、前記平均の方向に垂直な面に並べられた等間隔線形アレーアンテナ（以下、「ＵＬＡアンテナ」という）のモードベクトル（以下、「ＵＬＡモードベクトル」という）を計算し、ＵＬＡモードベクトルの組（以下、「ＵＬＡ補間行列」という）を生成し、
前記実アレー補間行列と前記ＵＬＡ補間行列との変換行列を求める補間アレー構成ステップと、
クラスタごとに、放射方位角または到来角を推定するときは前記推定対象クラスタ受信データと前記ＵＬＡモードベクトルと前記変換行列とを用いて推定し、伝搬遅延を推定するときは前記推定対象クラスタ受信データと前記実モードベクトルとを用いて推定する伝搬パラメータ詳細推定ステップと、
クラスタごとに、前記伝搬パラメータ詳細推定ステップで個別に推定された放射方位角、到来角、伝搬遅延の組合せを決めることで、素波ごとの放射方位角、到来角、伝搬遅延を求めるパラメータマッチングステップと、
クラスタごとに、当該クラスタの前記クラスタ受信データおよび前記パラメータマッチングステップで求めた各素波の放射方位角、到来角、伝搬遅延から、複素振幅を推定する複素振幅詳細推定ステップと
を有する電波伝搬パラメータ推定方法。
【請求項６】
請求項５記載の電波伝搬パラメータ推定方法であって、
前記伝搬パラメータ粗推定ステップは、ＳＡＧＥ法を用いて粗推定し、
前記伝搬パラメータ詳細推定ステップは、Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法を用いて推定し、
前記パラメータマッチングステップは、Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法を用いて放射方位角、到来角、伝搬遅延の組合せを決める
ことを特徴とする電波伝搬パラメータ推定方法。
【請求項７】
請求項６記載の電波伝搬パラメータ推定方法であって、
前記探索パラメータ決定ステップは、推定の対象の電波伝搬パラメータの値が同一であって推定の対象でない電波伝搬パラメータが異なる実受信データを平滑化した値を、当該推定の対象の電波伝搬パラメータの値での受信データとすることで、推定対象クラスタ受信データを生成する
ことを特徴とする電波伝搬パラメータ推定方法。
【請求項８】
請求項５から７のいずれかに記載の電波伝搬パラメータ推定方法であって、
前記変更放射方位角または前記変更到来角は、前記粗推定値から求められた放射方位角または到来角の推定値の平均の方向から±１５度以内の範囲で定められている
ことを特徴とする電波伝搬パラメータ推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波伝搬環境において、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナ間の素波の到来方向、出射方向、伝搬遅延、複素振幅等の電波伝搬パラメータを推定する電波伝搬パラメータ推定装置、電波伝搬パラメータ推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に無線通信システムにおける電波伝搬では、建物等の障害物における電波の反射、回折、散乱により複数の伝搬経路が存在し、それらが合成されて受信機で受信される事でマルチパスフェージングが発生している。伝搬環境の解明のためには、各伝搬経路を経由して到達する各素波を分離し、その素波の放射方位角、到来角、伝搬遅延、複素振幅などの伝搬パラメータを推定する必要がある。
【０００３】
図１は、送信アレーアンテナの素波の放射方位角と受信アレーアンテナへの素波の到来角とを示す図である。送信アレーアンテナ１０はＢ個の送信アンテナ１１−ｂ（ｂは１〜Ｂの整数）を備えており、受信アレーアンテナ２０はＴ個の受信アンテナ２１−ｔ（ｔは１〜Ｔの整数）を備えている。送信アレーアンテナ１０と受信アレーアンテナ２０との間を伝搬する素波の数（伝搬経路）をＮ個と仮定する。図１（Ａ）はｎ番目（ｎは１〜Ｎの整数）の素波（ｎ番目の経路の電波）の送信アレーアンテナからの放射方位角ＡｏＤ＃ｎを示しており、図１（Ｂ）はｎ番目の素波（ｎ番目の経路の電波）の受信アレーアンテナへの到来方位角ＡｏＡＡＺＭ＃ｎ（水平方向の角度）、到来仰角ＡｏＡＥＩＶ＃ｎ（垂直方向の角度）を示している。なお、ＡｏＡＡＺＭ＃ｎ、ＡｏＡＥＩＶ＃ｎの両方をまとめて、ＡｏＡ＃ｎと表現することもある。図１には示されていないが、電波伝搬パラメータには、送信アレーアンテナ１０と受信アレーアンテナ２０との間の各素波の伝搬時間の差（以下、「伝搬遅延ｄ＃ｎ」という）、および受信アレーアンテナでの複素振幅ｓ＃ｎもある。
【０００４】
次に、従来の電波伝搬パラメータ推定方法に共通する考え方について説明する。送信アンテナ１１−ｂと受信アンテナ２１−ｔのすべての組み合わせで受信データを取るため、送信アレーアンテナ１０は、送信アンテナ１１−ｂを１つずつ選択しながら、測定信号を順次送信する。そして、受信アレーアンテナ２０では、Ｔ個の受信アンテナ２１−１，…，２１−Ｔで測定信号受信する。また、送信アンテナ１１−ｂごとにＰ点の周波数軸上でのサンプリングを、Ｑ回の測定スナップ回数で行う。したがって、Ｐ×Ｂ×Ｔ×Ｑ個の受信データｙｐ，ｂ，ｔ，ｑ（ｐは１〜Ｐの整数、ｑは１〜Ｑの整数）が得られる。得られた受信データｙｐ，ｂ，ｔ，ｑをＰ×Ｂ×Ｔ行Ｑ列の行列Ｙに行列化すると以下のように表現できる。
【０００５】
【数１】
2011014980.tif 000003
【０００６】
αＡｏＡ（ＡｏＡ＃ｎ）は到来角ＡｏＡ＃ｎにおける受信アレーアンテナ２０のＴ次元モードベクトル、αＡｏＤ（ＡｏＤ＃ｎ）は放射方位角ＡｏＤ＃ｎにおける送信アレーアンテナ１０のＢ次元モードベクトルである。モードベクトルは、いろいろな到来角から到来する測定信号に関する各受信アンテナ２１−ｔの受信電力、送信アンテナ１１−ｂからいろいろな出射角に送出される測定信号の電力をあらかじめ測定しておくことで得られる。また、複素振幅s#nはＱ次元の列ベクトルである。したがって、何らかの方法で式（１）を解けば、放射方位角ＡｏＤ＃ｎ、到来角ＡｏＡ＃ｎ、伝搬遅延ｄ＃ｎ、複素振幅ｓ＃ｎを求めることができ、電波伝搬パラメータを推定できる。
【０００７】
次に従来用いられている電波伝搬パラメータの推定アルゴリズムを説明する。従来の電波伝搬パラメータ推定方法として、Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ法、ＳＡＧＥ法、Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法などが知られている（非特許文献１）。到来角ＡｏＡ＃ｎ推定は式（１）において、受信信号Ｙからモード行列Ａ、複素振幅行列Ｓを推定する問題に相当する。モード行列ＡはＮ個の素波における到来角ＡｏＡ＃ｎ、放射方位角ＡｏＤ＃ｎ、伝搬遅延ｄ＃ｎの関数であり、全パラメータ空間に渡る全探索を行う事は困難である。そのため、ＳＡＧＥ法では、Ｅ−ｓｔｅｐとＭ−ｓｔｅｐの２つのステップを反復的に用いる事で電波伝搬パラメータを推定する。
【０００８】
Ｅ−ＳＴＥＰ
最初に受信信号Ｙから素波ｋに関する受信信号成分Ｙ＃ｋを、式（２）を用いて抽出する。
【０００９】
【数２】
2011014980.tif 000004
【００１０】
ここでα＃ｎ(ｉｔｒ)、s＃ｎ(ｉｔｒ)は反復推定回数ｉｔｒにおける各素波のモードベクトル、複素振幅の推定値であり、βは固定値であり通常β＝１／Ｎが用いられる。
【００１１】
Ｍ−ＳＴＥＰ
素波ｋにおける伝搬遅延ｄ＃ｋ(ｉｔｒ＋１)、到来角ＡｏＡ＃ｋ(ｉｔｒ＋１)、出射角ＡｏＤ＃ｋ(ｉｔｒ＋１)を、Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ法を用いて推定する。例えば伝搬遅延ｄ＃ｋ(ｉｔｒ＋１)を推定する場合、以下の式を満たすｄ＃ｋ(ｉｔｒ＋１)を探索する。
【００１２】
【数３】
2011014980.tif 000005
【００１３】
なお、Ｈは複素転置行列を示している。（ｄ＃ｋ(ｉｔｒ＋１)，ＡｏＡ＃ｋ(ｉｔｒ＋１)，ＡｏＤ＃ｋ(ｉｔｒ＋１)）を推定後、以下の式を用いて複素振幅ｓ＃ｋ(ｉｔｒ＋１)を推定する。
【００１４】
【数４】
2011014980.tif 000006
【００１５】
以後、パラメータ推定値が収束するまで、全ての素波に関してＥ−ｓｔｅｐとＭ−ｓｔｅｐにおけるパラメータ推定を繰り返す。
【００１６】
ＳＡＧＥ法は任意形状のアレーアンテナに適用でき、複数の素波伝搬パラメータを推定できる等の利点があるが、式（３）で用いられているＢｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ法の推定精度が悪い。特に、近い伝搬パラメータをもった素波が複数存在するクラスタ（複数の素波のまとまり）が存在する場合に分解能が低くなる欠点がある。一方、Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法に代表される部分空間法は、ＵＬＡ（Uniform Linear Array）形状のアレーアンテナ（等間隔線形アレーアンテナ）にのみ適用でき、また伝搬パラメータの推定も１種類に限定されるものの、Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ法よりも精度の高い推定が可能である。
【００１７】
以下、Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法を用いた到来角ＡｏＡの推定方法を説明する。まずＬ個の受信アンテナからなるＵＬＡにおける受信データＹに関して相関行列ＹＹＨの全スナップショットに渡る平均値Ｒｘｘを次式のように計算し、固有展開を行う。
【００１８】
【数５】
2011014980.tif 000007
【００１９】
ただし、Ｅ＝（ｅ１，ｅ２，…，ｅＬ）、Λ＝ｄｉａｇ［λ１，λ２，…，λＬ］である。なお、ｄｉａｇ［  ］は、対角行列を示している。ここで到来波の数をＮ（Ｎ＜Ｌ)とし、全到来波と雑音成分が無相関である場合、固有ベクトルｅ１〜ｅＮ、固有値λ１〜λＮが信号成分を、固有ベクトルｅＮ＋１〜ｅＬ、固有値λＮ＋１〜λＬが雑音成分を表す事が知られている。また、信号成分ベクトルは常に雑音成分ベクトルと直交する性質を利用し、雑音部分行列Ｅｎ＝（ｅＮ＋１，ｅＮ＋２，…，ｅＬ）を用いて、以下の式を満たすモードベクトルαを求めるのがＭＵＳＩＣ法の原理である。
【００２０】
【数６】
2011014980.tif 000008
【００２１】
ここで、αは、Ｌ個の受信アンテナからなるＵＬＡ形状のアレーアンテナのモードベクトルであり、受信アンテナ間距離Δｄ、素波の波長λ、素波の到来角θを用いて、
【００２２】
【数７】
2011014980.tif 000009
【００２３】
と表現できる。したがって、式（６）は、ｚの２（Ｌ−１）次多項式となる。Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法ではこの多項式の根を求めることでｚを推定し、素波の到来角θを計算する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】山田 寛喜, "高分解能到来波推定法の基礎と実際", 第33回アンテナ・伝搬における設計・解析ワークショップ, 電子情報通信学会 2006.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
ＳＡＧＥ法は任意形状のアレーアンテナに適用でき、複数の素波電波伝搬パラメータを推定できる等の利点があるが、式（３）で用いられているＢｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ法の推定精度が悪く、特に近い電波伝搬パラメータをもった素波が複数存在するクラスタが存在する場合に分解能が低くなる欠点がある。
【００２６】
一方、Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法に代表される部分空間法は、類似する電波伝搬パラメータをもった素波が複数存在している場合にも高い分解能を持つが、推定可能な電波伝搬パラメータが１種類に限定され、またアレーアンテナの形状もＵＬＡ（Uniform Linear Array）に限定される欠点がある。
【００２７】
そこで、本発明は、高精度・高分解能でありながら、任意形状のアレーアンテナに適用可能でき、複数の電波伝搬パラメータを一括して推定できる電波伝搬パラメータ推定装置、電波伝搬パラメータ推定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の電波伝搬パラメータ推定装置は、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間を伝搬する素波の数をあらかじめ仮定し、仮定された数の素波ごとの電波伝搬パラメータである送信アレーアンテナからの放射方位角、受信アレーアンテナへの到来角、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間の素波ごとの伝搬時間もしくは伝搬時間の差（以下、推定の対象となっている伝搬時間もしくは伝搬時間の差を「伝搬遅延」という）、および受信アレーアンテナでの複素振幅を、受信アレーアンテナの実際の受信データ（以下、「実受信データ」という）と、あらかじめ測定しておいた送信アレーアンテナと受信アレーアンテナの実測のモードベクトル（以下、「実モードベクトル」という）を用いて推定する装置である。そして、本発明の電波伝搬パラメータ推定装置は、少なくとも伝搬パラメータ粗推定部、クラスタ検出部、探索パラメータ決定部、補間アレー構成部、伝搬パラメータ詳細推定部、パラメータマッチング部、複素振幅詳細推定部を備える。
【００２９】
伝搬パラメータ粗推定部は、素波ごとの放射方位角、到来角、伝搬遅延、および複素振幅を粗推定し、電波伝搬パラメータの粗推定値を求める。粗推定では、ＳＡＧＥ法などの従来の技術を用いればよい。
【００３０】
クラスタ検出部は、粗推定値の放射方位角、到来角、および伝搬遅延が類似する素波同士をまとめて１つ以上のクラスタを生成する。そして、クラスタごとに、当該クラスタに属していない素波の粗推定値を用いて当該クラスタに属していない素波による受信データ（以下、「対象外予測受信データ」という）を、実受信データから減算してクラスタ受信データを生成する。
【００３１】
探索パラメータ決定部は、クラスタ受信データから放射方位角、到来角、または伝搬遅延を個別に推定するための受信データ（以下、「推定対象クラスタ受信データ」という）を生成する。例えば、推定の対象の電波伝搬パラメータの値が同一であって推定の対象でない電波伝搬パラメータが異なる実受信データが複数ある場合、それらの実受信データを平滑化した値を、当該推定の対象の電波伝搬パラメータの値での受信データとすることで、推定対象クラスタ受信データを生成すればよい。平滑化した値としては、平均値、二乗平均値、絶対値の平均値、加重平均値などを用いればよい。
【００３２】
補間アレー構成部は、クラスタごとに次の処理を行う。まず、粗推定値から、当該クラスタに属する素波の放射方位角または到来角の推定値の平均の方向を求める。複数個の異なる放射方位角または到来角（以下、「変更放射方位角」または「変更到来角」という）を定める。例えば、変更放射方位角または変更到来角は、粗推定値から求められた放射方位角または到来角の推定値の平均の方向から±１５度以内の範囲で定めれば、近似による歪み（誤差）を比較的少なくできる。次に、変更放射方位角ごとまたは変更到来角ごとにモードベクトルを、実モードベクトルを用いて求め、求めたモードベクトルの組（以下、「実アレー補間行列」という）を生成する。変更放射方位角ごとまたは変更到来角ごとに、前記平均の方向に垂直な面に並べられた等間隔線形アレーアンテナ（以下、「ＵＬＡアンテナ」という）のモードベクトル（以下、「ＵＬＡモードベクトル」という）を計算し、計算によって得られたモードベクトルの組（以下、「ＵＬＡ補間行列」という）を生成する。そして、実アレー補間行列とＵＬＡ補間行列との変換行列を求める。
【００３３】
伝搬パラメータ詳細推定部は、次のような処理を行う。放射方位角または到来角を推定するときは、クラスタごとに、推定対象クラスタ受信データとＵＬＡモードベクトルと変換行列とを用いて推定する。伝搬遅延を推定するときは、クラスタごとに、推定対象クラスタ受信データと実モードベクトルとを用いて推定する。
【００３４】
パラメータマッチング部は、クラスタごとに、伝搬パラメータ詳細推定部で個別に推定された放射方位角、到来角、伝搬遅延の組合せを決めることで、素波ごとの放射方位角、到来角、伝搬遅延を求める。
【００３５】
複素振幅詳細推定部は、クラスタごとに、当該クラスタのクラスタ受信データおよびパラメータマッチング部で求めた各素波の放射方位角、到来角、伝搬遅延から、複素振幅を推定する。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の電波伝搬パラメータ推定装置によれば、実受信データと粗測定値から、電波伝搬パラメータを個別に推定するための推定対象クラスタ受信データを生成する。また、実モードベクトルを用いて実アレー補間行列を求め、ＵＬＡアンテナのＵＬＡ補間行列を計算し、実アレー補間行列とＵＬＡ補間行列との変換行列を求める。そして、推定対象クラスタ受信データとＵＬＡモードベクトルと変換行列を用いて電波伝搬パラメータを詳細推定する。つまり、実際のアンテナのモードベクトルを、クラスタごとにＵＬＡアンテナのモードベクトルの線形変換で近似して電波伝搬パラメータを詳細推定する。したがって、本発明の電波伝搬パラメータ推定装置は、高精度・高分解能でありながら、任意形状のアレーアンテナに適用可能でき、複数の電波伝搬パラメータを一括して推定できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】送信アレーアンテナの素波の放射方位角と受信アレーアンテナへの素波の到来角とを示す図。
【図２】本発明の電波伝搬パラメータ推定装置の機能構成例を示す図。
【図３】本発明の電波伝搬パラメータ推定装置の処理フロー例を示す図。
【図４】ＵＣＡアンテナのモードベクトルを、クラスタごとにＵＬＡアンテナのモードベクトルの線形変換で近似するイメージを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
【実施例１】
【００３９】
図２に本発明の電波伝搬パラメータ推定装置の機能構成例を示す。また、図３に本発明の電波伝搬パラメータ推定装置の処理フロー例を示す。電波伝搬パラメータ推定装置１００は、少なくとも伝搬パラメータ粗推定部１１０、クラスタ検出部１２０、探索パラメータ決定部１３０、補間アレー構成部１４０、伝搬パラメータ詳細推定部１５０、パラメータマッチング部１６０、複素振幅詳細推定部１７０を備える。なお、図示していないが、全体的な動作を制御する制御部、データを記録する記録部、データの入出力を行う入出力部などを適宜備えればよい。また、クラスタ検出部１２０と探索パラメータ決定部１３０とで推定対象データ抽出手段２２０を構成しており、伝搬パラメータ詳細推定部１５０とパラメータマッチング部１６０と複素振幅詳細推定部１７０で詳細推定手段２３０を構成している。
【００４０】
まず、あらかじめ決めておくべきことや、測定しておくべきことを説明する。推定の対象となる素波の数Ｎは、あらかじめ決めておく。素波の数Ｎは、送信アレーアンテナ１０と受信アレーアンテナ２０との間の伝搬経路の数だけ存在するので、周囲の地形などを考慮して決めればよい。また、送信アレーアンテナ１０と受信アレーアンテナ２０のモードベクトルをあらかじめ測定しておき、測定されたモードベクトルを実モードベクトルとして、電波伝搬パラメータ推定装置１００に記録しておく。また、従来の技術と同じように、送信アンテナ１１−ｂと受信アンテナ２１−ｔのすべての組み合わせで受信データを取るため、送信アレーアンテナ１０では、送信アンテナ１１−ｂを１つずつ選択しながら、測定信号を順次送信する。そして、受信アレーアンテナ２０では、Ｔ個の受信アンテナ２１−１，…，２１−Ｔで測定信号受信する。そして、送信アンテナ１１−ｂごとに時間をずらしながら、Ｐ点分のサンプリングを、Ｑ回の測定スナップ回数で行う。このようにして得られた、Ｐ×Ｂ×Ｔ×Ｑ個の受信データｙｐ，ｂ，ｔ，ｑ（以下、「実受信データ」という）が測定データ（入力されるデータ）である。なお、実受信データは、
【００４１】
【数８】
2011014980.tif 000010
【００４２】
のように、Ｐ×Ｂ×Ｔ行Ｑ列の行列形式で入力すればよい。
【００４３】
そして、電波伝搬パラメータ推定装置１００は、素波ごとの電波伝搬パラメータである送信アレーアンテナからの放射方位角ＡｏＤ＃ｎ、受信アレーアンテナへの到来角ＡｏＡ＃ｎ（ただし、水平方向の角度を到来方位角ＡｏＡＡＺＭ＃ｎ、垂直方向の角度を到来仰角ＡｏＡＥＩＶ＃ｎとする）、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間の素波ごとの伝搬時間もしくは伝搬時間の差（以下、推定の対象となっている伝搬時間もしくは伝搬時間の差を「伝搬遅延ｄ＃ｎ」という）、および受信アレーアンテナでの複素振幅ｓ＃ｎを、実受信データＹと、実モードベクトルを用いて推定する。例えば、送信アレーアンテナ１０が図１（Ａ）に示した等間隔リニアアレー（ＵＬＡ：Uniform Linear Array）アンテナであれば、ｎ番目の素波の放射方位角ＡｏＤ＃ｎにおけるモードベクトルαＡｏＤ（ＡｏＤ＃ｎ）は、次式のように求めることができ、Ｂ次元のベクトルになる。
【００４４】
【数９】
2011014980.tif 000011
【００４５】
ただし、Δｄは送信アンテナ１１−ｂ同士の間隔、λは素波の波長である。
また、受信アレーアンテナが図１（Ｂ）に示した等間隔円形アレー（ＵＣＡ：Uniform Circular Array）アンテナであれば、ｎ番目の素波の放射方位角ＡｏＤ＃ｎにおけるモードベクトルαＡｏＡ（ＡｏＡ＃ｎ）は、次式のように求めることができ、Ｔ次元のベクトルとなる。
【００４６】
【数１０】
2011014980.tif 000012
【００４７】
ただし、ｒは半径、Δηは受信アンテナ２１−ｔ同士の角度の間隔である。
【００４８】
次に、電波伝搬パラメータ推定装置１００の各構成部と処理フローについて説明する。伝搬パラメータ粗推定部１１０は、素波ごとの放射方位角ＡｏＤ＃ｎ、到来角ＡｏＡ＃ｎ（ＡｏＡＡＺＭ＃ｎ、ＡｏＡＥＩＶ＃ｎ）、伝搬遅延ｄ＃ｎ、および複素振幅ｓ＃ｎを粗推定し、これらの粗推定値を求める（Ｓ１１０）。粗推定では、ＳＡＧＥ法などの従来の技術を用いればよい。
【００４９】
クラスタ検出部１２０は、粗推定値の放射方位角ＡｏＤ＃ｎ、到来角ＡｏＡ＃ｎ、および伝搬遅延ｄ＃ｎが類似する素波同士をまとめて１つ以上のクラスタを生成する。そして、クラスタ検出部１２０は、クラスタごとに、当該クラスタに属していない素波の粗推定値を用いて当該クラスタに属していない素波による受信データ（以下、「対象外予測受信データ」という）を、実受信データから減算してクラスタ受信データを生成する（Ｓ１２０）。
【００５０】
より具体的には、クラスタ検出部１２０は以下のような処理を行えばよい。クラスタ検出部１２０は、２つの素波の組合せすべてに対して、放射方位角ＡｏＤ＃ｎ、到来角ＡｏＡ＃ｎ、および伝搬遅延ｄ＃ｎが類似するか否かを確認する。例えば、ｉ番目の素波とｊ番目の素波の放射方位角の差分ｄｉｆｆＡｏＤ＃ｉ＃ｊ、到来角の水平方向の差分ｄｉｆｆＡｏＡＡＺＭ＃ｉ＃ｊ、到来角の垂直方向の差分ｄｉｆｆＡｏＡＥＩＶ＃ｉ＃ｊ、および伝搬遅延の差分ｄｉｆｆｄ＃ｉ＃ｊが、次式のすべてを満たす場合に同じクラスタにまとめる。
ｄｉｆｆＡｏＤ＃ｉ＃ｊ＝｜ＡｏＤ＃ｉ−ＡｏＤ＃ｊ|≦δＡｏＤ
ｄｉｆｆＡｏＡＡＺＭ＃ｉ＃ｊ＝｜ＡｏＡＡＺＭ＃ｉ−ＡｏＡＡＺＭ＃ｊ｜≦δＡｏＡＡＺＭ
ｄｉｆｆＡｏＡＥＩＶ＃ｉ＃ｊ＝｜ＡｏＡＥＩＶ＃ｉ−ＡｏＡＥＩＶ＃ｊ｜≦δＡｏＡＥＩＶ
ｄｉｆｆｄ＃ｉ＃ｊ＝｜ｄ＃ｉ−ｄ＃ｊ｜≦δｄ                        （１１）
ただし、δＡｏＤ、δＡｏＡＡＺＭ、δＡｏＡＥＩＶ、δｄは、あらかじめ定められた閾値である。この結果、例えばＣ個のクラスタが形成される。
【００５１】
そして、ｃ番目のクラスタに対しては、ｃ番目のクラスタに属していない素波の粗推定値を用いてｃ番目クラスタに属していない素波による受信データ（以下、「対象外予測受信データ」という）を、実受信データから減算してクラスタ受信データＹ＃ｃを生成する。ｃ番目クラスタに属していない素波の番号を＃ｃ１〜＃ｃＪ、ｃｊ番目のｃ番目クラスタに属していない素波のモードベクトルをα＃ｃｊ、複素振幅をｓ＃ｃｊとすれば、クラスタ受信データＹ＃ｃは次式のように求めることができる。
【００５２】
【数１１】
2011014980.tif 000013
【００５３】
なお、クラスタ受信データＹ＃ｃはＰ×Ｂ×Ｔ行Ｑ列の行列であり
【００５４】
【数１２】
2011014980.tif 000014
【００５５】
のように表現できる。
【００５６】
探索パラメータ決定部１３０は、クラスタ受信データから放射方位角、到来角、または伝搬遅延を個別に推定するための受信データ（以下、「推定対象クラスタ受信データ」という）を生成する（Ｓ１３０−１，…，Ｃ）。例えば、推定の対象の電波伝搬パラメータの値が同一であって推定の対象でない電波伝搬パラメータが異なる実受信データが複数ある場合、推定対象外の個々のパラメータに関する受信データを別々の測定スナップとして扱う、もしくは推定対象外の個々のパラメータに関して最も大きい受信値を用いる、もしくは実受信データを推定対象外の個々のパラメータに関して平滑化した値を、当該推定の対象の電波伝搬パラメータの値での受信データとすることで、推定対象クラスタ受信データを生成する。平滑化した値としては、平均値、二乗平均値、絶対値の平均値、加重平均値などを用いればよい。推定対象外の個々のパラメータに関する受信データを別々の測定スナップとして扱う具体的な方法として、ｃ番目のクラスタの到来角ＡｏＡ用の推定対象クラスタ受信データＹＡｏＡ＃ｃを求める場合、次式のように、クラスタ受信データＹ＃ｃの添え字ｔが一致する要素を、到来角ＡｏＡ用の推定対象クラスタ受信データＹＡｏＡ＃ｃの列要素とすればよい。
【００５７】
【数１３】
2011014980.tif 000015
【００５８】
したがって、推定対象クラスタ受信データＹＡｏＡ＃ｃはＴ行Ｐ×Ｂ×Ｑ列の行列となる。同様に、放射方位角ＡｏＤ用の推定対象クラスタ受信データＹＡｏＤ＃ｃと伝搬遅延ｄ用の推定対象クラスタ受信データＹｄ＃ｃも、次式のように求めればよい。なお、推定対象クラスタ受信データＹＡｏＤ＃ｃはＢ行Ｐ×Ｔ×Ｑ列の行列、推定対象クラスタ受信データＹｄ＃ｃはＰ行Ｂ×Ｔ×Ｑ列の行列となる。
【００５９】
【数１４】
2011014980.tif 000016
【００６０】
このように求めた推定対象クラスタ受信データは、理論的には実モードベクトルを用いて以下のように表現できるので、式（１）を次式のように簡略化できる。
【００６１】
【数１５】
2011014980.tif 000017
【００６２】
ただし、＃ｃ１〜＃ｃＫは、ｃ番目のクラスタに属する素波の番号である。
【００６３】
補間アレー構成部１４０は、クラスタごとに、放射方位角ＡｏＤ＃ｎと到来角ＡｏＡ＃ｎの推定用の近似の処理を、以下のように行う（Ｓ１４０−ｃ）。まず、粗推定値から、ｃ番目のクラスタに属する素波＃ｃ１〜＃ｃＫの放射方位角ＡｏＤ＃ｃ１〜ＡｏＤ＃ｃＫの推定値の平均の方向と、到来角ＡｏＡ＃ｃ１〜ＡｏＡ＃ｃＫの推定値の平均の方向を求める。
【００６４】
次に、複数個の異なる放射方位角または到来角（以下、「変更放射方位角θ１〜θＭ」または「変更到来角θ１〜θＭ」という）を定める。変更放射方位角または変更到来角は、上記の近似が成り立つ範囲、許容できる範囲で適宜設定すればよい。なお、ＵＣＬアンテナのモードベクトルをＵＬＡアンテナのモードベクトルの線形変換で近似する場合であれば、変更放射方位角または変更到来角は、粗推定値から求められた放射方位角または到来角の推定値の平均の方向から±１５度以内の範囲で定めれば、近似による歪み（誤差）を比較的小さくできる。
【００６５】
次に、変更放射方位角θｍ（ｍは１からＭの整数）ごとにモードベクトルαＡｏＤ（θｍ）を、実モードベクトルを用いて求め、求めたモードベクトルの組で実アレー補間行列Ａｍａｎｉを
【００６６】
【数１６】
2011014980.tif 000018
【００６７】
のように生成する。なお、モードベクトルαＡｏＤ（θｍ）はＢ次元のベクトルであり、変更放射方位角θｍがＭ個あるので、実アレー補間行列Ａｍａｎｉは、Ｂ行Ｍ列の行列となる。
【００６８】
そして、送信アレーアンテナの場合は、変更放射方位角θｍごとに、放射方位角ＡｏＤ＃ｃ１〜ＡｏＤ＃ｃＫの推定値の平均の方向に垂直な面（法線が平均の方向と一致する面）に並べられた等間隔リニアアレーアンテナ（以下、「ＵＬＡアンテナ」という）のモードベクトルαＡｏＤ−ＵＬＡ（θｍ）（以下、「ＵＬＡモードベクトル」という）を次式によって計算する。
【００６９】
【数１７】
2011014980.tif 000019
【００７０】
ただし、ＬはＵＬＡアンテナの単体アンテナの数、Δｄは単体アンテナ同士の間隔、λは素波の波長である。そして、計算によって得られたモードベクトルの組でＵＬＡ補間行列Ａｍａｎｉ−ＵＬＡを
【００７１】
【数１８】
2011014980.tif 000020
【００７２】
のように生成する。なお、モードベクトルαＡｏＤ−ＵＬＡ（θｍ）はＬ次元のベクトルであり、変更放射方位角θｍがＭ個あるので、ＵＬＡ補間行列Ａｍａｎｉ−ＵＬＡは、Ｌ行Ｍ列の行列となる。そして、実アレー補間行列ＡｍａｎｉとＵＬＡ補間行列Ａｍａｎｉ−ＵＬＡとの変換行列ＧＡｏＤを次式に従って求める。
【００７３】
【数１９】
2011014980.tif 000021
【００７４】
また、この変換行列ＧＡｏＤは、近似による誤差である
【００７５】
【数２０】
2011014980.tif 000022
【００７６】
を最小化する。
【００７７】
次に、変更到来角ごとθｍにモードベクトルαＡｏＡ（θｍ）を、実モードベクトルを用いて求め、求めたモードベクトルの組で実アレー補間行列Ａｍａｎｉを
【００７８】
【数２１】
2011014980.tif 000023
【００７９】
のように生成する。なお、モードベクトルαＡｏＡ（θｍ）はＴ次元のベクトルであり、変更放射方位角θｍがＭ個あるので、実アレー補間行列Ａｍａｎｉは、Ｔ行Ｍ列の行列となる。
【００８０】
また、受信アレーアンテナの場合は、変更到来角θｍごとに、到来角ＡｏＡ＃ｃ１〜ＡｏＡ＃ｃＫの推定値の平均の方向に垂直な面に並べられたＵＬＡアンテナのＵＬＡモードベクトルαＡｏＡ−ＵＬＡ（θｍ）を次式によって計算する。
【００８１】
【数２２】
2011014980.tif 000024
【００８２】
ただし、ＬはＵＬＡアンテナの単体アンテナの数、Δｄは単体アンテナ同士の間隔、λは素波の波長である。そして、計算によって得られたモードベクトルの組でＵＬＡ補間行列Ａｍａｎｉ−ＵＬＡを
【００８３】
【数２３】
2011014980.tif 000025
【００８４】
のように生成する。なお、モードベクトルαＡｏＡ−ＵＬＡ（θｍ）はＬ次元のベクトルであり、変更放射方位角θｍがＭ個あるので、ＵＬＡ補間行列Ａｍａｎｉ−ＵＬＡは、Ｌ行Ｍ列の行列となる。そして、実アレー補間行列ＡｍａｎｉとＵＬＡ補間行列Ａｍａｎｉ−ＵＬＡとの変換行列ＧＡｏＡを次式に従って求める。
【００８５】
【数２４】
2011014980.tif 000026
【００８６】
また、この変換行列ＧＡｏＡは、近似による誤差である
【００８７】
【数２５】
2011014980.tif 000027
【００８８】
を最小化する。
【００８９】
伝搬パラメータ詳細推定部１５０は、次のような処理を行う。放射方位角または到来角を推定するときは、クラスタごとに、推定対象クラスタ受信データとＵＬＡモードベクトルと変換行列とを用いて推定する。伝搬遅延を推定するときは、クラスタごとに、推定対象クラスタ受信データと実モードベクトルとを用いて推定する（Ｓ１５０−ｃ）。例えば、Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法を用いて推定すればよい。具体的には、放射方位角、到来角、伝搬遅延ごとに、従来技術で説明したＲｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法の式（６）を以下の式に置き換えて計算することで、放射方位角のモードベクトルαＡｏＤ、到来角用のモードベクトルαＡｏＡ、伝搬遅延用のモードベクトルαｄを求める。
【００９０】
【数２６】
2011014980.tif 000028
【００９１】
そして、求めたモードベクトルαＡｏＤ、αＡｏＡ、αｄそれぞれに対して、式（７）のｚの多項式の根を求めることでｚを推定し、素波ごとに放射方位角ＡｏＤ＃ｎ、到来角ＡｏＡ＃ｎ、伝搬遅延ｄ＃ｎを推定する。
【００９２】
次に、ステップＳ１４０−ｃ、１５０−ｃで放射方位角のモードベクトルαＡｏＤ、到来角用のモードベクトルαＡｏＡを求める処理のイメージを説明する。図４は、ＵＣＡアンテナのモードベクトルを、クラスタごとにＵＬＡアンテナのモードベクトルの線形変換で近似するイメージを示す図である。ステップＳ１４０−ｃでは、実際のアンテナ（例えばＵＣＡアンテナ）のモードベクトルを、クラスタごとにＵＬＡアンテナのモードベクトルの線形変換で近似する。そして、変更放射方位角または変更到来角の範囲で誤差が最小になるように変換行列Ｇを求める。そして、ステップＳ１５０では、Ｒｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法を用いて放射方位角のモードベクトルαＡｏＤ、到来角用のモードベクトルαＡｏＡを求める。このように、本発明では、電波伝搬パラメータが類似している素波をまとめてクラスタとし、クラスタ単位で、任意形状のアンテナのモードベクトルをＵＬＡアンテナのモードベクトルの線形変換で近似してＲｏｏｔ−ＭＵＳＩＣ法を適用している。
【００９３】
パラメータマッチング部１６０は、クラスタごとに、伝搬パラメータ詳細推定部で個別に推定された放射方位角、到来角、伝搬遅延の組合せを決めることで、素波ごとの放射方位角、到来角、伝搬遅延を求める（Ｓ１６０−ｃ）。具体的には各組み合わせに関して、素波＃ｃ１〜＃ｃＫのモードベクトルα#c1〜α#cKを式（６）に代入し、以下の式で計算されるＱＭＵＳＩＣ−ｍａｔｃｈが最小となる組み合わせを選択する。
【００９４】
【数２７】
2011014980.tif 000029
【００９５】
複素振幅詳細推定部１７０は、クラスタごとに、当該クラスタのクラスタ受信データおよびパラメータマッチング部で求めた各素波の放射方位角ＡｏＤ＃ｎ、到来角ＡｏＡ＃ｎ、伝搬遅延ｄ＃ｎから、複素振幅ｓ＃ｎを推定する（Ｓ１７０−ｃ）。具体的には、素波＃ｃ１〜＃ｃＫのモードベクトルα＃ｃ１〜α＃ｃＫを用いてモード行列Ａ＃ｃ＝（α＃ｃ１，α＃ｃ２，…α＃ｃＫ）を作成し、以下の式を用いて複素振幅ｓ＃ｃを計算すればよい。
【００９６】
【数２８】
2011014980.tif 000030
【００９７】
電波伝搬パラメータ推定装置１００は、粗推定（Ｓ１１０）によって得られた電波伝搬パラメータの粗推定値を、ステップＳ１７０−１〜Ｃまでの処理によって得られた放射方位角ＡｏＤ＃ｎ、到来角ＡｏＡ＃ｎ、伝搬遅延ｄ＃ｎ、複素振幅ｓ＃ｎに変更する（Ｓ１８０）。そして、処理を繰り返すかを確認し（Ｓ１９０）、繰り返しを終了する場合は更新された電波伝搬パラメータを出力する。繰り返しを終了しない場合は、再度、ステップＳ１１０に戻る。このとき、粗推定（Ｓ１１０）のＥ−ＳＴＥＰでは、更新された電波伝搬パラメータに対応するモードベクトルを、式（２）で使用するモードベクトルの初期値とすればよい。
【００９８】
なお、本実施例では、ＵＣＡアンテナのモードベクトルをＵＬＡアンテナのモードベクトルの線形変換で近似する例を主に示したが、実際のアンテナをＵＣＡアンテナに限定する必要はない。どんな形状のアンテナであっても、そのアンテナのモードベクトルを、歪や誤差の許容範囲でＵＬＡアンテナのモードベクトルの線形変換で近似すれば、本発明は利用できる。
【符号の説明】
【００９９】
１０  送信アレーアンテナ
１１  送信アンテナ
２０  受信アレーアンテナ
２１  受信アンテナ
１００  電波伝搬パラメータ推定装置
１１０  伝搬パラメータ粗推定部
１２０  クラスタ検出部
１３０  探索パラメータ決定部
１４０  補間アレー構成部
１５０  伝搬パラメータ詳細推定部
１６０  パラメータマッチング部
１７０  複素振幅詳細推定部
２２０  推定対象データ抽出手段
２３０  詳細推定手段
【図１】
2011014980.tif 000031
【図２】
2011014980.tif 000032
【図３】
2011014980.tif 000033
【図４】
2011014980.tif 000034