(57)【要約】【課題】アレイアンテナのビームの指向性制御（ＮＵＬＬ幅制御）のためのパラメータである空間角度広がりを、簡易でかつ効率的に推定する方法および受信装置を提供する。【解決手段】到来方向θおよび空間角度広がりσを変数とする任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを予め算出する第１の段階と、複数のアンテナ素子Ｎを有するアレーアンテナを用いて複数の受信信号ｙを受信し、複数の受信信号ｙについての相関をそれぞれ求めて、要素数Ｎ２の相関行列関数Ｒを形成し、相関行列Ｒを固有値分解して、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅを算出し、固有値ｅに基づく値を空間角度広がり関数ＡＳの変数とすることにより、空間角度広がりσを算出する第２の段階とを有する。【選択図】　　　図１
2004080604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
到来方向θおよび空間角度広がりσを変数とする任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを予め算出する第１の段階と、
複数のアンテナ素子Ｎを有するアレーアンテナを用いて複数の受信信号ｙを受信し、
前記複数の受信信号ｙについての相関をそれぞれ求めて、要素数Ｎ２の相関行列関数Ｒを形成し、
前記相関行列Ｒを固有値分解して、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅを算出し、
前記固有値ｅに基づく値を前記空間角度広がり関数ＡＳの変数とすることにより、空間角度広がりσを算出する第２の段階と
を有することを特徴とする空間角度広がりを推定する方法。
【請求項２】
前記第１の段階は、
前記確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）から受信信号ベクトルｙ’（σ）を算出し、
前記受信信号ベクトルｙ’（σ）から、空間角度広がりσを変数とし、要素数Ｎ２の相関行列関数Ｒ’（σ）を算出し、
前記相関行列関数Ｒ’（σ）を固有値分解して、空間角度広がりσを変数とし、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅ（σ）を算出し、
前記固有値ｅ（σ）を逆関数とすることにより、前記固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の空間角度広がりを推定する方法。
【請求項３】
前記固有値に基づく値は、前記固有値のうち、最大の固有値ｅ１ｓｔおよび２番目に大きい固有値ｅ２ｎｄの比ｅ１ｓｔ／ｅ２ｎｄであることを特徴とする請求項１または２に記載の空間角度広がりを推定する方法。
【請求項４】
複数のアンテナ素子Ｎを有するアレーアンテナと、
前記アレーアンテナによって受信された複数の受信信号ｙについての相関をそれぞれ求めて、要素数Ｎ２の相関行列関数Ｒを形成する相関行列算出手段と、
前記相関行列Ｒを固有値分解して、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅを算出する固有値分解手段と、
到来方向θおよび空間角度広がりσを変数とする任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、予め算出した固有値に基づく空間角度広がり関数ＡＳを記憶する空間角度広がり関数記憶手段と、前記固有値に基づく値を前記空間角度広がり関数ＡＳに与えることにより、空間角度広がりσを算出する空間角度広がり推定値読み出し手段とを有する空間角度広がり推定手段と
を有することを特徴とする空間角度広がりを推定する受信装置。
【請求項５】
空間角度広がり関数記憶手段は、
前記確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）から、受信信号ベクトルｙ’（σ）を算出し、
前記受信信号ベクトルｙ’（σ）から、空間角度広がりσを変数とし、要素数Ｎ２の相関行列関数Ｒ’（σ）を算出し、
前記相関行列関数Ｒ’（σ）を固有値分解して、空間角度広がりσを変数とし、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅ（σ）を算出し、
前記固有値ｅ（σ）を逆関数とすることにより、前記固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを記憶したものである
ことを特徴とする請求項１に記載の空間角度広がりを推定する受信装置。
【請求項６】
前記固有値に基づく値は、前記固有値のうち、最大の固有値ｅ１ｓｔおよび２番目に大きい固有値ｅ２ｎｄの比ｅ１ｓｔ／ｅ２ｎｄであることを特徴とする請求項４または５に記載の空間角度広がりを推定する受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陸上移動通信等において、電波伝搬路の空間角度広がりを推定する方法および受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信技術の設計には、電波伝搬路特性を考慮した検討が必要である。一般には、検討を効率的に進めるため、電波伝搬路特性の理論モデルを用い、実際の電波伝搬路特性よりパラメータを抽出し、検討を行う。そのため、電波伝搬路特性を測定・推定する技術は重要となっている。
【０００３】
従来の陸上移動通信技術等の検討には、電波伝搬路特性のうち、減衰特性や時間変動特性等を考慮すれば十分であった。しかし、アダプティブアレーアンテナ技術に代表される、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナを用いて空間次元を利用する陸上移動通信技術の検討には、電波伝搬路の空間特性を考慮する必要がある。
【０００４】
特に、アレーアンテナを用いて、送信でビームパターン制御を行う送信アダプティブアレー技術では、到来方向情報のみだけでなく、空間角度広がり情報も使用することにより、より効果的な制御を行うことができると期待される。
【０００５】
図９は、陸上移動通信の電波伝搬路の概要図である。
【０００６】
図９によれば、送信点から送信された信号は、建物等の反射および回折等により異なった複数の伝搬路（以下「多重伝搬路」という）を経由するため、受信点では到着時間および到来方向が異なった複数の信号（以下「多重波」という）が受信される。一般に、基地局で受信する多重波は、送信点方向を中心として広がりをもつため、電波伝搬路の空間特性は、統計的な中心到来方向（平均）および空間角度広がり（分散）で定義される。
【０００７】
電波伝搬路の空間特性のうち、到来方向の推定方法に関しては、アレーアンテナを用いたビームフォーマ法、ＭＵＳＩＣ法およびＥＳＰＲＩＴ法等すでに確立された方法が存在する。しかし、空間角度広がりの推定方法については、これまでにあまり検討されていない。
【０００８】
従来の空間角度広がりを測定する方法としては、今井哲郎、森慎一、「広帯域移動伝搬におけるパスの時間・空間分布特性」、２００２年電子情報通信学会総合大会Ｂ−１−２８、に記載されているものがある。この方法は、到来方向推定を用いて、多重波を構成する電波の到来方向を厳密に推定し、それらの統計分布広がりから分散を求め、空間角度広がりとするものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来方法では、多重波を時間的に高分解能で分離することが必要である。従って、検討している陸上移動通信システムで使用する最小周期の信号よりも高速な周期の信号を発生させることが可能な送信機および遅延プロファイル測定器が必要となる。
【００１０】
また、多重伝搬路は複雑であり、空間的に連続的な分布をもつため、多重波を構成する空間角度広がりを持たない電波を完全に分離して抽出することは非常に難しい。
【００１１】
そこで、本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためのものであり、アレーアンテナを用いた陸上移動通信システムの設計および送信ビーム制御（ＮＵＬＬ幅制御）のためのパラメータである空間角度広がりを、簡易でかつ効率的に推定することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の空間角度広がりを推定する方法によれば、
到来方向θおよび空間角度広がりσを変数とする任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを予め算出する第１の段階と、
複数のアンテナ素子Ｎを有するアレーアンテナを用いて複数の受信信号ｙを受信し、
複数の受信信号ｙについての相関をそれぞれ求めて、要素数Ｎ２の相関行列関数Ｒを形成し、
相関行列Ｒを固有値分解して、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅを算出し、
固有値ｅに基づく値を空間角度広がり関数ＡＳの変数とすることにより、空間角度広がりσを算出する第２の段階と
を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の方法における他の実施形態によれば、第１の段階は、
確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）から受信信号ベクトルｙ’（σ）を算出し、
受信信号ベクトルｙ’（σ）から、空間角度広がりσを変数とし、要素数Ｎ２の相関行列関数Ｒ’（σ）を算出し、
相関行列関数Ｒ’（σ）を固有値分解して、空間角度広がりσを変数とし、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅ（σ）を算出し、
固有値ｅ（σ）を逆関数とすることにより、固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを算出する
ことも好ましい。
【００１４】
また、本発明の方法における他の実施形態によれば、固有値に基づく値は、固有値のうち、最大の固有値ｅ１ｓｔおよび２番目に大きい固有値ｅ２ｎｄの比ｅ１ｓｔ／ｅ２ｎｄであることも好ましい。
【００１５】
本発明の空間角度広がりを推定する受信装置によれば、
複数のアンテナ素子Ｎを有するアレーアンテナと、
アレーアンテナによって受信された複数の受信信号ｙについての相関をそれぞれ求めて、要素数Ｎ２の相関行列関数Ｒを形成する相関行列算出手段と、
相関行列Ｒを固有値分解して、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅを算出する固有値分解手段と、
到来方向θおよび空間角度広がりσを変数とする任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、予め算出した固有値に基づく空間角度広がり関数ＡＳを記憶する空間角度広がり関数記憶手段と、固有値に基づく値を空間角度広がり関数ＡＳに与えることにより、空間角度広がりσを算出する空間角度広がり推定値読み出し手段とを有する空間角度広がり推定手段と
を有することを特徴とする
【００１６】
本発明の受信装置における他の実施形態によれば、空間角度広がり関数記憶手段は、
確率密度関数ａ（θ，σ）を用いて、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）から、受信信号ベクトルｙ’（σ）を算出し、
受信信号ベクトルｙ’（σ）から、空間角度広がりσを変数とし、要素数Ｎ２の相関行列関数Ｒ’（σ）を算出し、
相関行列関数Ｒ’（σ）を固有値分解して、空間角度広がりσを変数とし、アンテナ素子Ｎの要素を有する固有値ｅ（σ）を算出し、
固有値ｅ（σ）を逆関数とすることにより、固有値に基づく値を変数とする空間角度広がり関数ＡＳを記憶したものである
ことも好ましい。
【００１７】
また、本発明の受信装置における他の実施形態によれば、固有値に基づく値は、固有値のうち、最大の固有値ｅ１ｓｔおよび２番目に大きい固有値ｅ２ｎｄの比ｅ１ｓｔ／ｅ２ｎｄであることも好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下では、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態を実現する構成の説明図である。
【００２０】
図１によれば、１００は空間角度広がり推定用受信装置であり、１０１はＮ素子アレーアンテナを構成するアレーアンテナ素子（１）、１０２はアレーアンテナ素子（２）、１０３はアレーアンテナ素子（Ｎ）、１１１は直交復調器（１）、１１２は直交復調器（２）、１１３は直交復調器（３）、１２１は相関行列算出回路、１３１は固有値分解回路、１４１は空間角度広がり推定部である。
【００２１】
アレーアンテナ素子１０１〜１０３によって受信された信号は、それぞれ直交復調器１１１〜１１３に入力され、直交復調された後に、複素信号として出力される。ここでは、出力複素信号をまとめて、アレー受信信号ベクトルｙとする。
ｙ＝（ｙ１，　ｙ２，　．．．，　ｙＮ）
【００２２】
アレー受信信号ベクトルｙは、相関行列算出回路１２１に入力され、Ｎ２の要素を持つ相関行列Ｒが算出される。相関行列Ｒのｉ行ｊ列目の要素ｒｉｊは、次式で求められる。＊は、複素共役を表す。
ｒｉｊ　＝　ｙｉ　×　ｙｊ＊
【００２３】
また、雑音電力の影響を軽減するため、最大パスと最小（雑音）パスの相関行列［ＭＤ］と［ＭＮ］を用いて、次式により実測相関行列ＲＴｒｉａｌを求めることもできる。
ＲＴｒｉａｌ＝（［ＭＤ］−［ＭＮ］）
【００２４】
算出された相関行列ＲＴｒｉａｌは、固有値分解回路１３１に入力され、固有値分解によりアレーアンテナ素子数Ｎ個の固有値を要素にもつ固有値ベクトルｅが算出される。
ｅ＝（ｅ１，　ｅ２，　．．．，　ｅＮ）
【００２５】
相関行列Ｒの固有値分解は、受信信号を空間的に分割する。その固有値の大きさは、それぞれ対応する固有ベクトルでビーム形成をした場合に取り込まれる受信信号成分の電力に対応する。基地局で受信される信号は、移動局方向を中心とした角度広がりを伴う空間伝搬路となる。
【００２６】
そして、算出された固有値ベクトルｅは、空間角度広がり推定回路１４１に入力され、空間角度広がりが推定される。
【００２７】
以上において、アレーアンテナ素子１０１〜１０３の配置は、任意に設定させることができる。また、アレーアンテナ素子１０１〜１０３の出力から、相関行列算出回路までの電気長は、等しくなるように調節されている必要がある。
【００２８】
図２は、空間角度広がり推定回路１４１の構成図である。
【００２９】
２０１は第１・２固有値比算出回路、２１１は空間角度広がり関数、２２１は空間角度広がり推定値読出し回路である。
【００３０】
まず、固有値分解回路１３１から出力された固有値ベクトルｅは、第１・２固有値比算出回路２０１に入力される。第１・２固有値比算出回路２０１では、入力された固有値ベクトルｅから、最大固有値ｅ１ｓｔ（以下「第１固有値」という）とｅ２ｎｄ（以下「第２固有値」という）を抽出し、次式で与えられる第１・２固有値比ＲＥＶ１２を算出する。
ＲＥＶ１２　＝　ｅ１ｓｔ／ｅ２ｎｄ
【００３１】
これにより、相関行列から求めた第１固有値ｅ１ｓｔと第２固有値ｅ２ｎｄの比ＲＥＶ１２と空間角度広がりとの関係を導出することにより、実測データから角度広がりを推定することができる。第１固有ベクトルで形成されるビームパターンは、移動局方向にビームを形成する。また、第２固有ベクトルでは、第１固有値に含まれない受信信号成分を受信するようにビーム形成するため、移動局方向にヌルを形成し、その周辺にビームを形成する。
【００３２】
また、ＲＥＶ１２は、雑音電力の影響を取り除くため、最小固有値ｅｍｉｎを用いて次のように算出することもできる。
ＲＥＶ１２　＝　（ｅ１ｓｔ−ｅｍｉｎ）／（ｅ２ｎｄ−ｅｍｉｎ）
【００３３】
算出された第１・２固有値比ＲＥＶ１２は、空間角度広がり推定値読出し回路２２１に入力され、予め用意した第１・２固有値比ＲＥＶ１２を変数とする空間角度広がり関数ＡＳ（ＲＥＶ１２）記憶部２２１から、空間角度広がりを推定することができる。
【００３４】
図３は、空間角度広がり関数ＡＳを求めるフローチャートである。
【００３５】
（Ｓ３０１）空間伝搬路確率密度関数は、送信点方向を中心として、空間角度広がり推定用受信装置１００の位置を中心とした到来方向θおよび空間角度広がりσを変数にもつ、任意な空間伝搬路の確率密度関数ａ（θ，　σ）を設定する。
【００３６】
（Ｓ３１１）ここで、到来方向θを変数にもつ受信周波数におけるアレーアンテナ素子１０１〜１０３の放射特性関数をベクトルとした、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）を用いる。
Ｄ（θ）＝（ｄ１（θ），ｄ２（θ），．．．，ｄＮ（θ））
【００３７】
（Ｓ３２１）アレーアンテナ放射特性関数ベクトルＤ（θ）を用いて、空間角度広がりσを変数にもつアレー受信信号ベクトル関数ｙ’（σ）を算出する。
ｙ’（σ）＝（ｙ’１（σ），ｙ’２（σ），　．．．　，ｙ’Ｎ（σ））
アレー受信信号ベクトル関数ｙ’（σ）のｎ番目の要素ｙ’ｎ（σ）は、次式で求められる。
ｙ’ｎ（σ）＝∫θａｎ（θ，　σ）・ｄｎ（θ）ｄθ
【００３８】
（Ｓ３３１）次に、算出されたアレー受信信号ベクトル関数ｙ’（σ）より、空間角度広がりσを変数にもつＮ２の要素を持つ相関行列関数Ｒ’（σ）を算出する。相関行列関数Ｒ’（σ）のｉ行ｊ列目の要素ｒ’ｉｊ（σ）は、次式で求められる。
ｒ’ｉｊ（σ）　＝　ｙ’ｉ（σ）×ｙ’ｊ＊（σ）
【００３９】
例えば、相関行列は次式により与えられる。
【数１】
2004080604.tif 000003
ここで、Ａ（φ）は、空間特性の平均電力密度関数であり、移動局方向を中心として正規分布型に広がるモデルを仮定する。また、Ｖ（φ）はアンテナ素子放射特性ベクトル関数である。
【数２】
2004080604.tif 000004
φ０は到来信号の中心方向を表す。
【００４０】
（Ｓ３４１）算出された相関行列関数Ｒ’（σ）から、固有値分解により、空間角度広がりσを変数にもつアレーアンテナ素子数Ｎ個の固有値を要素にもつ固有値ベクトル関数ｅ’（σ）を算出する。
ｅ’（σ）＝（ｅ’１（σ），ｅ’２（σ），　．．．　，ｅ’Ｎ（σ））
【００４１】
（Ｓ３５１）そして、算出された固有値ベクトル関数ｅ’（σ）から、第１固有値関数ｅ’１ｓｔ（σ）と第２固有値関数ｅ’２ｎｄ（σ）を抽出し、次式で与えられる空間角度広がりσを変数にもつ第１・２固有値比関数ＲＥＶ１２’（σ）を算出する。
ＲＥＶ１２’（σ）　＝　ｅ’１ｓｔ（σ）／ｅ’２ｎｄ（σ）
【００４２】
（Ｓ３６１）算出した第１・２固有値比関数ＲＥＶ１２’（σ）は、空間角度広がりσを変数としているため、第１・２固有値比ＲＥＶ１２を変数とすることにより、角度広がり関数ＡＳ（ＲＥＶ１２）を求めることができる。
【００４３】
図４は、送信点方向を中心として正規分布をする空間伝搬路の分布関数を表すグラフである。
【００４４】
図４によれば、図３で設定した任意な空間伝搬路の分布関数ａ（θ，σ）の一例として、空間伝搬路の分布関数を、送信点を０°、空間角度広がりσ＝３，５，７°の場合が示されている。ここで、本発明では、送信点方向に関する情報は不要である。
【００４５】
図５は、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルの振幅特性関数の一例である。縦軸は振幅を示し、横軸は方角を示す。
【００４６】
図６は、アレーアンテナ放射特性関数ベクトルの位相特性関数の一例である。縦軸は位相を示し、横軸は方角を示す。
【００４７】
図５及び図６は、アレーアンテナに２素子のオムニアンテナを用いた場合であるが、本発明では、任意のアレーアンテナについて適用できる。
【００４８】
前述した本発明の実施形態によれば、本発明の技術思想および見地の範囲の種々の変更、修正および省略は、当業者によれば容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲およびその均等物として限定するものにのみ制約される。
【００４９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、空間角度広がりを簡易でかつ効率的に推定することことができるので、アレイアンテナのビームの適切な指向性制御が可能となる。
【００５０】
以下では、本発明の効果を実測データに基づいて説明する。
【００５１】
スマートアンテナフィールド実験で取得した実測相関行列データを用いて、第１、２固有値の比を指標とし、角度広がりを推定した。フィールド実験のエリアは、低層の建物が立ち並ぶ住宅街である。アレーアンテナを備えたスマートアンテナテストベット基地局（以下「ＢＳ」という）は、地上２６ｍの位置に設置した。アレーアンテナは、６素子半円弧型アレーアンテナ（１２素子円形の半分）であって、カバーエリア１８０°の中心を真南方向に向けた。
【００５２】
そして、移動局は走行させ、ＢＳにおける受信信号の相関行列を測定した。相関行列は、アンテナ素子毎の逆拡散信号を累積平均した信号から算出され、最大７パス毎に取得できる。本データは、累積周期を１．５秒とした場合のデータである。
【００５３】
図７は、図１にＲＥＶ１２対する実験データの累積確率分布および解析式の角度広がり特性を示すグラフである。累積確率５０％のとき、角度広がりが約４°と推定できる。
【００５４】
図８は、図１の２つの特性より、角度広がりの累積確率分布を求めたグラフである。累積確率１０〜９０％の範囲で、角度広がりが３°〜７°であると推定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による無線装置の構成図である。
【図２】図１の空間角度広がり推定部１４１の詳細な構成図である。
【図３】図２の角度広がり関数２２１の詳細なフローチャート図である。
【図４】空間伝搬路の分布関数ａ（θ，σ）の一例である。
【図５】アレーアンテナ放射特性関数ベクトルの振幅特性関数の一例である。
【図６】アレーアンテナ放射特性関数ベクトルの位相特性関数の一例である。
【図７】ＲＥＶ１２対する実験データの累積確率分布および解析式の角度広がり特性を示すグラフである。
【図８】図７の２つの特性より、角度広がりの累積確率分布を求めたグラフである。
【図９】陸上移動通信の電波伝搬路の一例である。
【符号の説明】
１００　空間角度広がり推定用受信装置
１０１　Ｎ素子アレーアンテナ
１１１、１１２、１１３　直交復調器
１２１　相関行列算出回路
１３１　固有値分解回路
１４１　空間角度広がり推定部
２０１　第１・２固有値比算出回路
２１１　空間角度広がり推定値読出し回路
２２１　空間角度広がり関数記憶部
【図１】
2004080604.tif 000005
【図２】
2004080604.tif 000006
【図３】
2004080604.tif 000007
【図４】
2004080604.tif 000008
【図５】
2004080604.tif 000009
【図６】
2004080604.tif 000010
【図７】
2004080604.tif 000011
【図８】
2004080604.tif 000012
【図９】
2004080604.tif 000013