(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレーアンテナを用いたＤＳ−ＣＤＭＡ移動通信用の無線通信装置において、
受信信号のパスタイミングを検出するサーチャと、検出されたパスについてアレーアンテナの受信信号に対して復調処理を行う受信復調部とを備え、
前記サーチャは、前記アレーアンテナによる複数のパスサーチ用のビームを形成するビーム形成手段と、該ビーム形成手段により形成した複数の各ビーム毎にパスの遅延プロファイルを生成する手段と、該複数ビームの遅延プロファイルを基に、前記受信復調部における逆拡散処理のためのパスタイミングの検出及び該パスの到来方向を推定するパス到来検出手段とを有し、
前記受信復調部は、サーチャからのパスタイミングを基に受信信号を逆拡散する手段と、アレーアンテナビームフォーミングを行って受信信号を復調する手段とを備え、
前記サーチャは、ビーム方向が隣接し合う２つのビームを形成し、該２つのビームの遅延プロファイルを基に、パスレベルの高い又はパス数の多い遅延プロファイルのビーム（以下「第１のビーム」という。）と、パスレベルの低い又はパス数の少ない遅延プロファイルのビーム（以下「第２のビーム」という。）とに区別し、第１のビームのウェイト値をそのまま維持し、第２のビームのウェイト値を、第１のビームを跨いで反対側に隣接するビーム方向のウェイト値に変更して、次回のパスサーチ用のビーム形成のウェイト値を決定する手段を備えたことを特徴とするアレーアンテナ無線通信装置。
【請求項２】
前記サーチャは、アレーアンテナの全てのアンテナ素子を用いてビーム幅が狭く方向が僅かに異なる複数のビームを形成するためのウェイト値（以下「第１のウェイト値」という。）と共に、アレーアンテナの一部のアンテナ素子のみを用いてビーム幅の広いビームを形成するためのウェイト値（以下「第２のウェイト値」という。）を予め記憶しておき、第１のウェイト値による幅の狭いビーム形成時にその遅延プロファイルからパスが検出されない場合に、次回のパスサーチ用のビーム形成のウェイト値を、第２のウェイト値による幅の広いビーム形成のウェイト値に変更し、また、第２のウェイト値による幅の広いビーム形成時にその１つのビームの遅延プロファイルからしかパスが検出されない場合に、次回のパスサーチ用のビーム形成のウェイト値を、該第２のウェイト値のビームによって覆われる複数の第１のウェイト値による幅の狭いビーム形成のウェイト値に変更する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ無線通信装置。
【請求項３】
アレーアンテナを用いて移動局からの無線信号を受信する受信装置において、
複数のビーム方向に対応したビームフォーミシグを行うことで得られた各受信信号に基づいて、該移動局からの無線信号の到来方向を推定する推定部と、
前記到来方向の推定に用いられるビーム方向を、前記推定の結果に応じて、複数のビーム方向を含む第１のビーム方向群から、少なくとも該第１のビーム方向群に含まれない１つのビーム方向を含み、かつ、少なくとも該第１のビーム方向に含まれていた１つのビーム方向を含まない、複数のビーム方向を含む第２のビーム方向群に変更する制御部と、
を備え、
前記アレーアンテナのうち、前記変更の前後において、前記到来方向の推定に用いられる受信信号を得るために用いられるアンテナの数は変更しない、
ことを特徴とする受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアレーアンテナ無線通信装置に関し、特に、ＤＳ−ＣＤＭＡ方式のディジタルセルラ無線通信システムにおけるアダプティブアレーアンテナを用いた無線通信装置において、受信信号のパスタイミングを検出するサーチャのパス検出及びパス到来方向推定の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人と同一の出願人による先の出願（特願２０００−２７０５０８号平成１２年９月６日）に係る発明「アレーアンテナ無線通信装置」において、従来のＤＳ−ＣＤＭＡ無線通信システムのアレーアンテナ受信装置で行われていた、１つのアンテナの受信信号を用いたパス検出の検出精度の低下を改善する手段として、複数のアンテナの受信信号を用いてパス検出を行うことにより、パス検出の精度を向上させ、かつ、サーチャでパスの到来方向を推定することにより、アダプティブアレーアンテナ受信部でのビーム形成を高速化する手段を発案した。
【０００３】
図４に先の出願に係るアレーアンテナ無線通信装置のアレーアンテナベースバンド受信信号処理部の構成を示す。アレーアンテナ１０の各アンテナ素子で受信された無線周波数の信号は、周波数変換部（図示省略）でベースバンド信号に変換された後、Ａ／Ｄ変換器（図示省略）により離散量子化され、デジタルベースバンド信号に変換され、ビームフォーミング・復調処理を行うアダプティブアレーアンテナ受信復調部２０とパスサーチを行うサーチャ４０とに入力される。
【０００４】
サーチャ４０には複数のアンテナ素子から成るアレーアンテナ１０の全ての受信信号が入力される。サーチャ４０では、各アンテナ素子毎に相関処理部４１で逆拡散のための拡散符合との相関処理を行った複素信号が、アンテナ合成パスタイミング検出部４２とアンテナ間相関推定部４３とに入力される。
【０００５】
アンテナ合成パスタイミング検出部４２では、各アンテナ毎の相関処理（逆拡散処理）後の複素相関値信号を電力変換器４２１で電力値に変換した後、それらを合成器４２２で合成する。これは、パスが存在するときは各アンテナ素子間でほぼ同レベルの大きな受信信号が得られ、信号成分がアンテナ素子数分倍加されるのに対し、パスが存在しないときは雑音成分のみであり、そのランダムでレベルの小さな信号を合成しても、雑音成分はアンテナ素子数分倍加されることはなく平均化され、合成後の信号に対する雑音の分布は、合成前に対して抑圧されたものとなるため、信号対雑音比（ＳＮＲ）が低い場合でも高精度なパスタイミング検出を行うことができる。
【０００６】
更に、各アンテナ素子の受信信号電力の合成信号は、平均化部４２３において所定時間積算して平均化し、パスのフェージングによる変動を平均化処理して遅延プロファイル４２４を生成する。そして、バス検出部４２５では、遅延プロファイル４２４を基にパス検出閾値を上回ったパスのパスタイミング検出を行い、検出されたバスのタイミングパルスを出力する。
【０００７】
一方、アンテナ間相関推定部４３では、各アンテナ素子毎に相関処理を行った複素信号を入力し、アンテナ間相関部４３１で各アンテナ素子の相関処理出力複素数信号を隣り合うアンテナ素子間同士で乗算した後に合成する。このような演算を行うことにより、等間隔直線アレー構成のアレーアンテナでは、全ての乗算結果の位相部分がパスの到来角方向となるため、合成により雑音成分は平均化されて打消し合い、パス到来角に相当するアンテナ間複素相関値（位相項）が加算され、雑音抑圧効果が得られる。
【０００８】
アンテナ間相関部４３１でアンテナ素子間相関推定値を算出し、アンテナ間相関部４３２でその時間平均化処理を行い、フェージングによるパスのレベル変動を含めた平均化効果により、アンテナ素子間相関推定値の精度を向上させ、遅延プロファイル２４２の各パスタイミングに対応したアンテナ素子間相関推定値を得る。
【０００９】
アダプティブアレーアンテナ受信復調部２０は、サーチャ４０からバスタイミングの信号と共にアンテナ素子間相関推定値を示す信号を入力し、該パスタイミングの信号を基にフィンガ割り当て部２１によりフィンガ割当てを行い、各フィンガ毎に逆拡散部２２において各パスタイミングで逆拡散処理を開始する。
【００１０】
また、アダプティブアレーアンテナ受信復調部２０は、入力されたアンテナ素子間相関推定値を、ウェイト変換部２３で演算又はテーブル参照によりアレーアンテナのビーム形成のウェイト値に変換し、該ウェイト値をウェイト更新部２４に出力する。
【００１１】
なお、サーチャ４０からアンテナ素子間相関推定値として位相回転量を示す信号出力し、ウェイト変換部２３でそれをウェイト値に変換する構成に代えて、ウェイト値そのものをサーチャ４０で算出して、ウェイト更新部２４に直接入力する構成とすることもできる。
【００１２】
アダプティブアレーアンテナ受信復調部２０では、ウェイト更新部２４から得られるビーム形成用のウェイト値を用い、受信信号を逆拡散した信号に対してビームフォーマ２５でビーム形成処理を行い、該ビーム形成した信号に対して同期検波部２６で復調処理を行う。ビームフォーマ２５の初期ウェイト値として、サーチャ４０で求めたアンテナ素子間相関推定値を用いることにより、通信対象のユーザ（移動局）の位置方向にビーム形成を直ちに行うことができる。
【００１３】
その後、ウェイト更新部２４は公知のアルゴリズムを用いてアレーアンテナのビーム形成のウェイト値を更新し、通信対象が存在する位置方向にビーム形成を行うので、従来のように、全く通信対象方向と関係のない方向のビームウェイト初期値からウェイト値を更新するより、より高速にウェイト値更新を収束化することができる。そのため、通信対象方向に素早くビーム形成を行うことができ、ユーザからの受信信号及びユーザへの送信信号を高品質化することができる。また、この構成をユーザ端末に適用した場合には、ユーザ端末の送信電力の低減化が可能となる。
【００１４】
なお、上記構成例は、全てのフィンガに対して共通にウェイト更新部２４とウェイト変換部２３とを設け、同一チャネルについて、異なるパスの信号に対しても同じウェイト値を使用して１つのビームの形成を行う構成例であった。しかし、実際には、パスが異なるとアレーアンテナ１０に到来する電波の入力方向が異なる場合があり、各パス対応の各フィンガ毎にウェイト更新部２４及びウェイト変換部２３を設け、各フィンガ毎にそれぞれ異なったウェイト値を設定する構成（図示省略）とすることもできる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記先願（特願２０００−２７０５０８号）に係る発明は、アレーアンテナを適用した無線装置のパス検出精度の向上、及びビーム形成の高速化を図ることができたが、この発明では、マッチドフィルタ等により構成される相関処理（逆拡散処理）部４１をアンテナ素子の数分必要とし、アレーアンテナのアンテナ素子数増加に比例して該相関処理部を備える必要があるため、回路規模及び演算量が増大化するという問題点があった。
【００１６】
本発明は、多数のアンテナ素子から成るアレーアンテナを用いた場合でも、相関処理（逆拡散処理）部が増大化することなく、同様に高精度なパス検出を行うとともにパス到来方向を推定することができるサーチャを備え、回路規模を小さく保つことができるアレーアンテナ無線通信装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のアレーアンテナ無線通信装置は、（１）アレーアンテナを用いたＤＳ−ＣＤＭＡ移動通信用の無線通信装置において、受信信号のパスタイミングを検出するサーチャと、検出されたパスについてアレーアンテナの受信信号に対して復調処理を行う受信復調部とを備え、前記サーチャは、前記アレーアンテナによる複数のパスサーチ用のビームを形成するビーム形成手段と、該ビーム形成手段により形成した複数の各ビーム毎にパスの遅延プロファイルを生成する手段と、該複数ビームの遅延プロファイルを基に、前記受信復調部における逆拡散処理のためのパスタイミングの検出及び該パスの到来方向を推定するパス到来検出手段とを有し、前記受信復調部は、サーチャからのパスタイミングを基に受信信号を逆拡散する手段と、アレーアンテナビームフォーミングのための受信ウェイト値としてサーチャからのパスの到来方向の情報を受信ウェイト値として用いるか又はアレー受信復調部（フィンガ部）で独立して推定した受信ウェイト値を用いるか又はサーチャからのパスの到来方向の情報を初期ウェイト値としてアレー受信復調部で推定した受信ウェイト値を用いて受信信号を復調する手段とを備えたものである。
【００１８】
また、（２）前記サーチャは、アレーアンテナのアンテナ素子数より少ないビームを形成し、該ビームから生成した各ビーム毎の遅延プロファイルを基に、次回のパスサーチ用のビーム形成のウェイト値を決定する手段を備えたものである。
【００１９】
また、（３）前記サーチャは、パスサーチ用のビーム形成のウェイト値として、ビーム方向が僅かに異なる複数の予め用意されたビーム形成のウェイト値の中から、次回のパスサーチ用のビーム形成のウェイト値を決定する手段を備えたものである。
【００２０】
また、（４）前記サーチャは、ビーム方向が隣接し合う２つのビームを形成し、該２つのビームの遅延プロファイルを基に、パスレベルの高い又はパス数の多い遅延プロファイルのビーム（以下「第１のビーム」という。）と、パスレベルの低い又はパス数の少ない遅延プロファイルのビーム（以下「第２のビーム」という。）とに区別し、第１のビームのウェイト値をそのまま維持し、第２のビームのウェイト値を、第１のビームを跨いで反対側に隣接するビーム方向のウェイト値に変更して、次回のパスサーチ用のビーム形成のウェイト値を決定する手段を備えたものである。
【００２１】
また、（５）前記サーチャは、アレーアンテナの全てのアンテナ素子を用いてビーム幅が狭く方向が僅かに異なる複数のビームを形成するためのウェイト値（以下「第１のウェイト値」という。）と共に、アレーアンテナの一部のアンテナ素子のみを用いてビーム幅の広いビームを形成するためのウェイト値（以下「第２のウェイト値」という。）を予め記憶しておき、第１のウェイト値による幅の狭いビーム形成時にその遅延プロファイルからパスが検出されない場合に、次回のパスサーチ用のビーム形成のウェイト値を、第２のウェイト値による幅の広いビーム形成のウェイト値に変更し、また、第２のウェイト値による幅の広いビーム形成時にその１つのビームの遅延プロファイルからしかパスが検出されない場合に、次回のパスサーチ用のビーム形成のウェイト値を、該第２のウェイト値のビームによって覆われる複数の第１のウェイト値による幅の狭いビーム形成のウェイト値に変更する手段を備えたものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明によるアレーアンテナベースバンド受信信号処理部の構成を示す。アレーアンテナ１０の各アンテナで受信された無線周波の信号は、図示省略の周波数変換部でベースバンド信号に変換された後、図示省略のＡ／Ｄ変換器により離散・量子化され、ディジタルベースバンド信号に変換され、ビームフォーミング・復調処理を行うアダプティブアレーアンテナ受信復調部２０とパスタイミングを検出するサーチャ３０とに入力される。
【００２３】
本発明によるサーチャ３０は、アレーアンテナ１０の信号を入力し、複数のビームを形成するためのビームフォーマ３１と、形成したビームそれぞれの受信信号について相関処理（逆拡散処理）を行う相関処理部３２と、該相関処理後の信号に対して電力変換を行う電力変換部３３と、時間平均化処理を行う平均化処理部３４と、平均化処理部３４から出力される複数の遅延プロファイル３５を基にパスタイミング検出及びパス到来方向検出を行うパス到来方向検出部３６と、パス到来方向からビームフォーマ３１のビーム形成用のウェイト値を決定し制御するウェイト制御部３７と、該ウェイト制御部３７で決定されたウェイト値をビームフォーマ３１に設定するウェイト設定部３８とを備える。
【００２４】
サーチャ３０のビームフォーマのウェイト値は、ウェイト制御部３７からの指示に従い、複数の異なった値が設定される。また、ウェイト制御部３７とパス到来方向検出部３６は、連携して現在のウェイト値を基にパス到来方向を推定し、その推定結果を基に次回のビーム形成のウェイト値を決定する機能を備える。
【００２５】
図１においてサーチャ３０では、アレーアンテナ１０を用いて、ウェイト制御部３７で設定されるウェイト値を基にビームフォーマ３１でビームを形成し、相関処理部３２はビーム毎に相関処理（逆拡散処理）を行う。該相関処理部３２では、マッチドフィルタによる拡散コードとの相関演算及び同相加算を行う。
【００２６】
同相加算後の信号を電力変換部３３で電力変換し、平均化処理部３４で時間平均化を行うことで、形成したビームの遅延プロファイル３５を生成する。形成したビームに含まれるパスの信号は、アレーアンテナによるビーム形成利得により高精度なパス検出が可能となる。
【００２７】
アレーアンテナによるビームを形成してパス検出を行うことにより、形成したビームに含まれる方向のパスの検出精度は向上するものの、ビームに含まれない方向のパス検出精度は却って劣化してしまう。従って、どのようにビームを形成するかということが重要である。
【００２８】
また、パス到来方向が時々刻々と変化する場合には、変化するパス到来方向に追従してビームを形成する機能が必要である。これを実現するために、複数のビームを形成し、各ビーム毎に遅延プロファイルを作成する。このビーム数はアンテナ素子数より少なくてよく、図１に示す構成例では２つのビームを形成する構成例を示している。
【００２９】
そして、パス到来方向検出部３６では、複数の遅延プロファイル３５からパスタイミングを検出して高精度なパスタイミング検出を行い、かつ時々刻々と変化する移動局の方向に追従するために、該複数の遅延プロファイル３５を用いて以下に説明する手法によりパス到来方向を推定する。
【００３０】
移動局へ追従してパス到来方向を推定する手法を、図２を参照して説明する。サーチャ３０のビームフォーマ３１では、図２に示すように第１のビームＢ＃１から第８のビームＢ＃８までの８種類のビームが形成可能なようにウェイト値を準備しておく。図２において横軸はビームの方向角、縦軸はビームの強度レベルを表している。
【００３１】
ここで、準備しておくウェイト値としては、使用するアンテナ素子数分の直交ビームのウェイト値のセットのみならず、直交ビームの間を埋める僅かにビーム方向が異なる複数のビームのウェイト値を準備しておき、パスタイミング検出及びパス到来方向推定の精度の向上を図る。
【００３２】
移動局５０からパス到来方向の異なる第１のパスＰ＃１及び第２のパスＰ＃２が到来するものとして説明する。今、ウェイト制御部３７で第４のビームＢ＃４及び第５のビームＢ＃５の２つのビームを形成し、それらの遅延プロファイルを生成しているものとする。
【００３３】
ここで、移動局５０が図２で右方向に移動したとすると、第４及び第５のビームＢ＃４，Ｂ＃５の遅延プロファイルを用いたパス検出では、ビーム形成による利得の大きな第５のビームＢ＃５によるパスのレベルが大きく検出される。従って、パス到来方向検出部３６では、第５のビームＢ＃５で検出したパスの到来時刻をパスタイミングとして検出する。更に、第５のビームＢ＃５の方向角をパス到来方向推定値として検出する。
【００３４】
パス到来方向検出部３６での検出パスのレベル情報を基に、次回に形成するビームを次のように決定する。なお、形成する２つのビームは常に隣り合うビームを形成するようにする。その２つのビームのうち、検出されたパスのレベルが大きいビームはそのままの状態で形成しておき、検出されたパスのレベルの小さいビームは、大きな検出レベルのビームを跨いで反対側に隣接するビーム方向に変更するようビーム形成ウェイト値を決定し、次回はそのビームの遅延プロファイルを生成してパス検出を行う。
【００３５】
遅延プロファイル生成及びパス検出の周期毎に、パス検出レベルの小さかった方のビームのみを、パス検出レベルの大きいビームの反対側に隣接する位置方向のビームに変更することを繰り返す。図２に示すように移動局が右方向移動すると、形成される２つのビームの組は次のようになる。
移動時：（Ｂ＃５，Ｂ＃４）→（Ｂ＃５，Ｂ＃６）→（Ｂ＃７，Ｂ＃６）→（Ｂ＃７，Ｂ＃８）
移動局が静止しているとき、形成される２つのビームの組は次のようになる。
静止時：（Ｂ＃５，Ｂ＃４）→（Ｂ＃５，Ｂ＃６）→（Ｂ＃５，Ｂ＃４）→（Ｂ＃５，Ｂ＃６）
【００３６】
なお、隣接する２つのビームで検出されるパスのレベルの大小を基にビームを追従させる上記の構成に代えて、隣接する２つのビームで検出されるそれぞれのパスの個数を基にビームを追従させる構成とすることもできる。このように移動局方向の隣接する２つのビームを形成し、そのビームで検出されるパスレベル又は検出パス数に応じて移動方向を推定し、ビーム形成方向を切り替えることにより、移動局が移動した際には、その移動に応じて、また静止時においても、移動局に追従したビームを形成することができ、高精度なパス検出を行いながらパス到来方向を推定することができる。
【００３７】
上記の実施形態では、隣合う２つのビームを形成して該２つのビームについての遅延プロファイルを生成してパスタイミングを検出すると共に、次に形成するビームを決定していた。この手法ではパスの到来方向の広がりが、隣合う２つのビームの幅以下である場合に、高精度なパス検出及びビーム追従を行うことができるが、伝搬環境により到来方向が２つのビームの幅以上に広がったり、或いは一時的に全てのパスのレベルが低下したりした場合、上記の実施形態では、ビームの切り替え及びパス検出精度が不安定なものになってしまう。
【００３８】
このような状況でも安定して動作するようにするために、アレーアンテナ１０の一部のアンテナ素子を用いて形成される図３の（ａ），（ｂ）に示すようなビーム幅の広いビームのウェイト値もまた準備しておく。そして、図の（ｃ）に示すように幅の狭いビームを形成して高精度なパス検出を行っているときに、何れのビームの遅延プロファイルからもパスが検出されない状況となったときに、それまで行っていたビーム方向を含む図の（ｂ）に示すような、よりビーム幅の広いビームに移行し、前述の実施形態と同様に２つのビームＢ＃１１，Ｂ＃１２の切り替えによりパス検出を行う。
【００３９】
図の（ｂ）に示す幅の広いビームによってもパスが検出されないときは、図の（ａ）に示すような更に幅の広いビームＢ＃１を形成してパス検出を行う。そして、１つの特定のビームＢ＃１でのみ連続してパスが検出されるときは、図の（ｂ）に示すようなその特定のビーム幅に覆われるより幅の狭いビームＢ＃１１，Ｂ＃１２を形成してパス検出を行い、更に同様に特定の１つのビーム（例えばＢ＃１１）で連続してパスが検出されるときは、図の（ｃ）に示すようにその特定のビームＢ＃１１に覆われているより幅の狭いビーム（例えばＢ  ＃１１１，Ｂ＃１１２）を形成してパス検出を行い、パス検出の精度を向上させる。こうすることにより、高精度かつ安定したパスサーチを連続的に行うことができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、サーチャにおいてアレーアンテナを用いて複数のビーム形成を行って各ビーム毎に遅延プロファイルを生成し、該複数の遅延プロファイルを基にパス検出及びパス到来方向の推定を行うことにより、アンテナ素子数の増加に依らず、２つ程度のビーム形成による遅延プロファイルを生成するだけで精度の高いパス検出及びパス到来方向の推定が可能であり、回路規模の増大を抑えることができる。
【００４１】
以上のことは、アレーアンテナを適用したＣＤＭＡ方式移動通信システムの通信装置において、パスサーチ特性の劣化及び形成したビームの不完全性による送信電力の増加を抑えることができ、また、他の通信装置からの干渉量増加によりシステム容量が制限されるＣＤＭＡ方式移動通信システムにおいて、アレーアンテナによる精度の良いビーム形成により干渉量を低減し、システム容量の増大をもたらすことができることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアレーアンテナベースバンド受信信号処理部の構成を示す図である。
【図２】本発明による移動局へ追従してパス到来方向を推定する手法の説明図である。
【図３】本発明による幅の異なるビーム形成によるパス検出の手法の説明図である。
【図４】従来のアレーアンテナベースバンド受信信号処理部の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  アレーアンテナ
２０  アダプティブアレーアンテナ受信復調部
２１  フィンガ割り当て部
２２  逆拡散部
２３  ウェイト変換部
２４  ウェイト更新部
２５  ビームフォーマ
２６  同期検波部
３０  サーチャ
３１  ビームフォーマ
３２  相関処理部
３３  電力変換部
３４  平均化処理部
３５  遅延プロファイル
３６  パス到来方向検出部
３７  ウェイト制御部
３８  ウェイト設定部
【図１】
0004022810.tif 000002
【図２】
0004022810.tif 000003
【図３】
0004022810.tif 000004
【図４】
0004022810.tif 000005