(57)【要約】【課題】下り通信における高精度の指向性制御を可能とし、かつスループットの向上を図る。【解決手段】第一の指向性形成装置１０１１〜１０１Ｎと、各第一の指向性形成装置のｎ番目の出力信号を合成する第一の合成器１０２１〜１０２Ｎと、第一の合成器の信号を入力信号とし、アンテナ素子数と同数のＭ個の信号を出力する第二の指向性形成装置１０３１〜１０３Ｎと、前記各第二の指向性形成装置のｍ番目の出力信号を合成する第二の合成器１０４１〜１０４Ｍと、Ｍ個のアンテナ素子とを有し、第一の指向性形成装置は、入力信号をＮ個の信号に分岐する第一の分岐装置１０６１〜１０６Ｎと、第一の分岐装置の出力信号に重み付けを行う第一の重み付け装置１０７１１〜１０７ＮＮとからなり、各第一の指向性制御装置のｎ番目の第一の重み付け装置の重みの値は端末局ｎによって制御される。【選択図】      図１
2004242151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ（Ｎは２以上の自然数）個の端末局に対して、指向性を形成する基地局に設けられた適応アンテナ装置であって、
各端末局への送信信号をそれぞれ、入力信号とし、Ｎ個の出力信号を生成する第一の指向性形成装置と、
前記各第一の指向性形成装置のｎ（但し、１≦ｎ≦Ｎ；ｎは自然数）番目の出力信号を合成する第一の合成器と、
該第一の合成器の信号を入力信号とし、アンテナ素子数と同数のＭ（Ｍ≧Ｎ；Ｍは自然数）個の信号を出力する第二の指向性形成装置と、
前記各第二の指向性形成装置のｍ（１≦ｍ≦Ｍ；ｍは自然数）番目の出力信号を合成する第二の合成器と、
Ｍ個のアンテナ素子とを有し、
前記第一の指向性形成装置は、入力信号をＮ個の信号に分岐する第一の分岐装置と、該第一の分岐装置の出力信号に重み付けを行う第一の重み付け装置とからなり、
前記各第一の指向性制御装置のｎ番目の第一の重み付け装置の重みの値は端末局ｎによって制御されることを特徴とする適応アンテナ装置。
【請求項２】
前記第二の指向性形成装置は入力信号をＭ個の信号に分岐する第二の分岐装置と、
前記第二の分岐装置の出力信号に重み付けを行うＭ個の第二の重み付け装置とからなり、
前記第一の重み付け装置の重みの値ｗ１，ｋ，ｊ及び第二の重み付け装置の重みの値ｗ２，ｊ，ｊ’を、
【数１】
2004242151.tif 000014
【数２】
2004242151.tif 000015
（ただし、ここで値ｗ２，ｊ，ｊ’はｊ番目の第二の指向性形成装置のｊ’番目の第二の重み付け装置の重みの値、値ｗ’１，ｋ，ｊは端末局ｊが式（９）により決定した重みの値であり、（ｔｎ）は今回の演算タイミング時における値であることを、また（ｔｎ−１）は前回の演算タイミング時における値であることを、それぞれ示している。）
となるように決定することを特徴とする請求項１に記載の適応アンテナ装置。
【請求項３】
複数の端末局に対して、指向性を形成する基地局に設けられた適応アンテナ装置の制御方法であって、
各端末局への送信信号に対して複数の指向性パターンを形成し、該複数の指向性パターンの合成を端末局側からのフィードバック情報に基づいて制御することを特徴とする適応アンテナ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信システムの基地局に使用するに好適な適応アンテナ装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
適応アンテナ装置は、希望する信号と相関の高い到来波を合成し、相関の低い到来波を抑圧するように指向性制御を行うアンテナ装置である。
以下に従来の下り回線における適応アンテナ装置のビーム制御方法について説明する。
図４に下り通信の伝搬環境の推定を行わない従来の適応アンテナ装置の構成を示す（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図４において、従来の適応アンテナ装置は、複数のアンテナ素子４０１１〜４０１Ｎと、各アンテナ素子に接続された複素重みを課す重み付け手段４０２１〜４０２Ｎと、各重み付け手段４０２１〜４０２Ｎの重みを制御する重み制御装置４０３と、基準信号発生装置４０４と、受信時には各アンテナ素子４０１１〜４０１Ｎに接続された複素重み付けをされた信号を合成し、送信時には重み付け手段４０２１〜４０２Ｎに入力信号を分岐するための合成及び分岐装置４０５から構成されている。
【０００４】
一般に適応アンテナ装置の複数のアンテナ素子４０１１〜４０１Ｎで受信された信号をｘ１〜ｘＮとし、重み付け手段４０２１〜４０２Ｎに設定される重みの値をｗ１〜ｗＮとし、希望信号成分をｄと表すと、希望する信号との誤差の２乗が最小になるように指向性を形成する重みの値は、
【数３】
2004242151.tif 000003
で与えられる。ただし、
【数４】
2004242151.tif 000004
【数５】
2004242151.tif 000005
【数６】
2004242151.tif 000006
である。
【０００５】
上り通信時の伝搬環境と下り通信時の伝搬環境がまったく同一とみなせる場合には、アンテナ間の相関行列ＲＸＸ  及び希望ユーザに対するステアリングベクトルｒＸｄに変化が生じないため、上り通信時の重みの値を下り通信にもそのまま適用すれば、通信路の２乗誤差を最小とする指向性を形成することができる。したがって、上り通信と下り通信の伝搬環境がほぼ等しい場合には、単に複数のアンテナ素子で構成するアレーアンテナで構成すればよい。
【０００６】
ところが上り通信と下り通信での周波数が異なるＦＤＤシステムや、環境変動の大きい環境では、（式４）で定義したアンテナ間の相関行列ＲＸＸを推定することができず、適応アンテナ装置が動作しないという問題がある。
【０００７】
下り通信において受信局で伝搬環境を推定し、伝搬環境の推定結果を送信局にフィードバックし、送信局における適応アンテナ装置で下り回線用の指向性形成を行う方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。以下にその動作を示す。
下り通信では情報信号の間にプロービング信号を周期的に挿入して信号を伝送する。プロービング信号は送信局の各アンテナ素子と受信局との間の伝達関数の推定に用いる。
【０００８】
プロービング信号を伝送する区間では、各アンテナ素子から異なったプロービング信号系列を送信する。ここで、各アンテナ素子から送信するプロービング信号は、全受信局が既知の信号系列とする。受信局では受信信号に対して、送信局の各アンテナ素子から送信される各プロービング信号との相関演算を行い、各アンテナ素子からのプロービング信号ごとに複素相関値を求める。
【０００９】
この複素相関値を上り通信において送信局にフィードバックし、適応アンテナの指向性形成に反映させる。この方法では、各アンテナのプロービング信号との相関値を受信局において求めることによって、送信局の各アンテナ素子と受信局の間の伝搬環境を推定することができる。
この方法を利用する場合には各アンテナ素子から異なった信号が送信されるため、ビーム形成を行うことができない。
したがって、同一チャネルを利用する周辺セルに対して干渉を与えてしまうという問題がある。また、アンテナ素子数が増大すると、プロービング信号の信号系列長が長くなるため、スループットが低下するという問題が生じる。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｒ．Ａ．Ｍｏｎｚｉｎｇｏ  ａｎｄ  Ｔ．Ｗ．Ｍｉｌｌｅｒ，Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ａｄａｐｔｉｖｅ  Ａｒｒａｙｓ，  Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．１９８０
【非特許文献２】
Ｄｅｒｌｅｋ  Ｇｅｒｌａｃｈａ，  Ａｒｌｏｇｙａｓｗａｍｉ  Ｐａｕｌｒａｊ，“Ｂａｓｅ  Ｓｔａｔｉｏｎ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ａｒｒａｙｓ  ｗｉｔｈ  Ｍｏｂｉｌｅ  ｔｏ  Ｂａｓｅ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ，”Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｒｅｃｏｒｄ  ｏｆ  Ｔｈｅ  Ｔｗｅｎｔｙ−Ｓｅｖｅｎｔｈ  Ａｓｉｌｏｍａｒ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ，１９９３
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ディジタル無線伝送での下り通信における指向性制御では、送信局アンテナと受信局との間の伝達関数を推定する必要がある。ところが、伝達関数を推定するために、送信局で各アンテナ素子から信号を送信すると、伝達関数推定時に指向性形成ができないため、他システムや同一周波数チャネルを利用する他セルに多大な干渉を与えてしまうという問題があった。
【００１２】
また、従来の伝達関数推定方法では送信局アンテナと受信局との間の伝達関数を推定するためには、予め定められた信号系列を送信する必要があるため、スループットが低下するという問題があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ディジタル無線伝送において、上り通信と下り通信の伝搬環境が異なる場合でも下り通信における高精度の指向性制御を行うことができ、かつスループットの向上を図った適応アンテナ装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、Ｎ（Ｎは２以上の自然数）個の端末局に対して、指向性を形成する基地局に設けられた適応アンテナ装置であって、
各端末局への送信信号をそれぞれ、入力信号とし、Ｎ個の出力信号を生成する第一の指向性形成装置と、
前記各第一の指向性形成装置のｎ（但し、１≦ｎ≦Ｎ；ｎは自然数）番目の出力信号を合成する第一の合成器と、
該第一の合成器の信号を入力信号とし、アンテナ素子数と同数のＭ（Ｍ≧Ｎ；Ｍは自然数）個の信号を出力する第二の指向性形成装置と、
前記各第二の指向性形成装置のｍ（１≦ｍ≦Ｍ；ｍは自然数）番目の出力信号を合成する第二の合成器と、
Ｍ個のアンテナ素子とを有し、
前記第一の指向性形成装置は、入力信号をＮ個の信号に分岐する第一の分岐装置と、該第一の分岐装置の出力信号に重み付けを行う第一の重み付け装置とからなり、
前記各第一の指向性制御装置のｎ番目の第一の重み付け装置の重みの値は端末局ｎによって制御されることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、前記第二の指向性形成装置は入力信号をＭ個の信号に分岐する第二の分岐装置と、
前記第二の分岐装置の出力信号に重み付けを行うＭ個の第二の重み付け装置とからなり、
前記第一の重み付け装置の重みの値Ｗ１，ｋ，ｊ及び第二の重み付け装置の重みの値Ｗ２，ｊ，ｊ’を、
【数７】
2004242151.tif 000007
【数８】
2004242151.tif 000008
（ただし、ここで値ｗ２，ｊ，ｊ’はｊ番目の第二の指向性形成装置のｊ’番目の第二の重み付け装置の重みの値、値ｗ’１，ｋ，ｊは端末局ｊが式（９）により決定した重みの値であり、（ｔｎ）は今回の演算タイミング時における値であることを、また（ｔｎ−１）は前回の演算タイミング時における値であることを、それぞれ示している。）
となるように決定することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、複数の端末局に対して、指向性を形成する基地局に設けられた適応アンテナ装置の制御方法であって、
各端末局への送信信号に対して複数の指向性パターンを形成し、該複数の指向性パターンの合成を端末局側からのフィードバック情報に基づいて制御することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本発明の第１実施形態に係る適応アンテナ装置の構成を図１に示す。本実施形態は、送信信号に対して複数の指向性パタンを形成し、複数の指向性パタンの合成を端末局によって制御することにより、高精度の指向性形成を少ないフィードバック情報から行うことを可能としている。
【００１７】
図１において符号１０１１〜１０１Ｎは第一の指向性形成装置、符号１０２１〜１０２Ｎは第一の合成器、符号１０３１〜１０３Ｎは第二の指向性形成装置、符号１０４１〜１０４Ｍは第二の合成器、符号１０５１〜１０５Ｍはアンテナ素子、符号１０６１〜１０６Ｎは第一の分岐装置、符号１０７１１〜１０７ＮＮは第一の重み付け装置である。
【００１８】
基地局はまず上り通信時に伝搬環境の推定を行う。伝搬環境推定としては、たとえば、上り、下り回線においても到来波の到来方向は変化しないとみなし、上り通信時の信号から各到来波の到来方向推定を行う方法などが用いられる。到来方向推定のアルゴリズムにはＭＵＳＩＣ法やＥＳＰＲＩＴ法などの高分解能の到来方向推定アルゴリズムを用いることもできる。
【００１９】
次に、上り通信時に推定した伝搬環境をもとに、第二の指向性形成装置で形成する指向性を決定する。指向性の決定方法としては、たとえば上り通信時に推定した到来方向に対して主ビームを向ける方法や、二乗誤差最小（ＭＭＳＥ）アルゴリズムを用いて、希望している信号に対してメインビームを向け、他の信号に対してヌルを形成する方法などを用いることができる。
【００２０】
このように決定した第二の指向性形成装置の指向性パタンを用いて、下り通信を開始する。下り通信時には各端末局では各第二の指向性形成装置で形成される指向性パタンと端末局アンテナの間の伝達関数を推定する。伝達関数の推定は、例えば、各指向性パタンから異なったタイミングでプローブ信号を送信することによって実施することができる。また同一タイミングで、異なった拡散符号を用いて各指向性パタンからプローブ信号を送信する方法を用いることもできる。
【００２１】
さらに推定した伝達関数から例えば以下の式に基づいて、第一の重み付け装置の重みの値を決定する。
【数９】
2004242151.tif 000009
ここで、ｗ１，ｋ，ｎ  はｋ番目の端末局に対する第一の指向性形成装置のｎ番目の第一の重み付け装置の重みの値，Ｈｋ，ｎはｋ番目の第二の指向性形成装置と端末局ｎの間の伝達関数である。
【００２２】
上式のように制御することによって、
【数１０】
2004242151.tif 000010
となり、ｋ番目の端末局への信号が端末局ｎに干渉を与えることがなくなる。したがって、端末局ｎでは推定した伝達関数ｈｋ，ｎ  の値が大きく、干渉を受けている信号に対して、上式の計算を行い、第一の重み付け装置における重み付け値をフィードバックすればよい。端末局数をＮとした場合、全ての干渉が問題となった場合でも、フィードバックする重み付け値の数はＮ−１個となる。
【００２３】
これに対して、従来の全伝達関数をフィードバックさせる方法ではＭ個の伝達関数をフィードバックする必要がある。
一般にアンテナ素子数Ｍの方が端末局数Ｎよりも大きいため、本発明によってフィードバックする情報量を削減することができる。また本発明では端末局数に対してアンテナ素子数が大きくなればなるほど、大きなフィードバック量の削減効果が期待できる。
【００２４】
図３に、本発明に係る適応アンテナ装置と、従来の適応アンテナ装置（Ｄｅｒｌｅｋ  Ｇｅｒｌａｃｈａ，Ａｒｌｏｇｙａｓｗａｍｉ  Ｐａｕｌｒａｊ，“Ｂａｓｅ  Ｓｔａｔｉｏｎ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ａｒｒａｙｓ  ｗｉｔｈ  Ｍｏｂｉｌｅ  ｔｏ  Ｂａｓｅ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ，”Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｒｅｃｏｒｄ  ｏｒ  Ｔｈｅ  Ｔｗｅｎｔｙ−Ｓｅｖｅｎｔｈ  Ａｓｉｌｏｍａｒ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ，１９９３）の性能の比較を示す。なお、端末局数は２、基地局のアンテナ素子数は８素子とした。
【００２５】
また、変調方式はＱＰＳＫ、各端末局での到来波は１００波とし、各端末局の位置は、基地局を基準として端末局１を−２０度方向、端末局２を１０度方向とした。基地局での角度広がりは５度、端末局での角度広がりは３６０度とした。上り通信時には到来方向推定を行うものとし、到来方向推定では角度広がりの中心方向を誤差無く推定できるものとした。
最大ドップラー周波数ｆｄｍａｘΔＴは０．３とした。ここで△Ｔは端末局で推定した伝搬環境を指向性形成に反映させるまでに要する時間である。図に示すように，本発明によってフィードバック情報量を１／２０に抑えることが可能となっていることが判る。
【００２６】
本発明の第２実施形態に係る適応アンテナ装置の要部の構成を図２に示す。本実施形態では、端末局からのフィードバック情報を第二の指向性形成装置の指向性制御に反映させ、伝搬環境の変動への追従性を高めることを可能にしている。
本実施形態に係る適応アンテナ装置の基本構成は図１に示した第１実施形態に係る適応アンテナ装置と同じであるが、第１実施の形態と異なるのは、第二の重み付け装置の重みの値についても端末局からのフィードバック情報に基づいて制御するようにしている点である。
【００２７】
この図において符号２０１１〜２０１Ｎは第二の分岐装置、符号２０２１１〜２０２ＮＭは第二の重み付け装置である。
端末局ｋへの送信信号は端末局ｎでは以下のように受信される。
【数１１】
2004242151.tif 000011
ここでｗ２，ｊ，ｊ’はｊ番目の第二の指向性形成装置のｊ’番目の第二の重み付け装置の重みの値、ｈｊ’，ｎ  は基地局のアンテナ素子ｊ’と端末局ｎの間の伝達関数である。
【００２８】
上り通信と下り通信の伝搬環境が大きく異なるような環境では第二の指向性形成装置で形成する指向性も、下り通信の伝搬環境にあわせて更新していく必要がある。このような場合には、第一の重み付け装置の値、第二の重み付け装置の値を以下のように設定する。
【数１２】
2004242151.tif 000012
【数１３】
2004242151.tif 000013
【００２９】
ただし、ここで値ｗ２，ｊ，ｊ’はｊ番目の第二の指向性形成装置のｊ’番目の第二の重み付け装置の重みの値、値ｗ’１，ｋ，ｊは端末局ｊが式（９）により決定した重みの値であり、（ｔｎ）は今回の演算タイミング時における値であることを、また（ｔｎ−１）は前回の演算タイミング時における値であることを、それぞれ示している。
このように構成することで、下り通信の伝搬環境が変動する環境においても本発明の適応アンテナの動作が可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、各端末局への送信信号に対して複数の指向性パターンを形成し、該複数の指向性パターンの合成を端末局側からのフィードバック情報に基づいて制御するようにしたので、上り通信と下り通信の伝搬環境が異なる場合でも下り通信における高精度の指向性制御を行うことができ、かつスループットの向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る適応アンテナ装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る適応アンテナ装置の要部の構成を示すブロック図。
【図３】本発明に係る適応アンテナ装置と従来のアンテナ装置との性能を比較して示した図。
【図４】従来の適応アンテナ装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１０１１〜１０１Ｎ…第一の指向性形成装置
１０２１〜１０２Ｎ…第一の合成器
１０３１〜１０３Ｎ…第二の指向性形成装置
１０４１〜１０４Ｍ…第二の合成器
１０５１〜１０５Ｍ…アンテナ素子
１０６１〜１０６Ｎ…第一の分岐装置
１０７１１〜１０７ＮＮ…第一の重み付け装置
２０１１〜２０１Ｎ…第二の分岐装置
２０２１１〜２０２ＮＭ…第二の重み付け装置
４０１１〜４０１Ｎ…アンテナ素子
４０２１〜４０２…Ｎ重み付け装置
４０３…重み制御装置
４０４…基準信号発生装置
４０５…合成及び分岐装置
【図１】
2004242151.tif 000016
【図２】
2004242151.tif 000017
【図３】
2004242151.tif 000018
【図４】
2004242151.tif 000019