(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備え、前記各アンテナ素子で受信された受信信号を重み係数により重み付けして合成し出力するアダプティブアレーアンテナシステムにおいて、
前記受信信号のうち、既知の信号に対して、前記重み係数の算出を適応制御により実行する重み係数計算手段と、
前記重み係数計算手段による前記適応制御の収束状況を評価する評価手段と、
前記評価手段による収束状況の評価結果に応じて、前記重み係数計算手段による、前記既知の信号に対する前記適応制御の動作を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記評価手段により前記重み係数計算手段による適応制御が収束したと判断されると、前記重み係数計算手段による適応制御を間欠的に動作させる、
ことを特徴とするアダプティブアレーアンテナシステム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記重み係数計算手段による適応制御を特定の間隔で間欠動作させることを特徴とする請求項１に記載のアダプティブアレーアンテナシステム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記重み係数計算手段による適応制御を間欠動作させている場合に、前記評価手段による適応制御の収束判断条件が満たされなくなると、前記重み係数計算手段による適応制御を定常動作に戻すことを特徴とする請求項１に記載のアダプティブアレーアンテナシステム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記重み係数計算手段による適応制御を間欠的に動作させる間隔を適応的に制御することを特徴とする請求項１に記載のアダプティブアレーアンテナシステム。
【請求項５】
複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備え、前記各アンテナ素子で受信された受信信号を重み係数により重み付けして合成し出力するアダプティブアレーアンテナシステムにおける重み係数算出制御方法であって、
前記受信信号のうち、既知の信号に対して、前記重み係数の算出を適応制御により実行する重み係数計算過程と、
前記重み係数計算過程による前記適応制御の収束状況を評価する評価過程と、
前記評価過程による収束状況の評価結果に応じて、前記重み係数計算過程による、前記既知の信号に対する前記適応制御の動作を制御する制御過程と、を含み、
前記制御過程では、前記評価過程により前記重み係数計算過程による適応制御が収束したと判断されると、前記重み係数計算過程による適応制御を間欠的に動作させる、
ことを特徴とする重み係数算出制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アダプティブアレーアンテナシステムおよび重み係数算出制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アダプティブアレーアンテナシステムでは、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備え、各アンテナ素子の受信信号をアレーアンテナの指向性を制御するための重み係数を用いて重み付けした後に合成し出力している。また、その重み係数の算出方法としては、最小２乗誤差法（ＭＭＳＥ；Minimum Mean Square Error）に基づく適応アルゴリズムにより、各アンテナ素子の受信信号と参照信号との二乗誤差が最小になるように適応制御して重み係数を算出するものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。上記したＭＭＳＥベースの適応アルゴリズムとしては、ＬＭＳ（Least Mean Square）やＲＬＳ（Recursive Least-Squares）などが使用される。
【０００３】
また、上記した重み係数の更新のための計算量を削減して演算処理装置（例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ））の消費電力を低減させるシステムが検討されている。このようなシステムとして、受信信号の伝搬路特性を評価し、この評価結果に応じて上記した重み係数の更新回数を制御することにより、重み係数の更新のための計算量を削減するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。伝搬路特性を表すものとしては、例えば、移動端末装置のフェージング速度が利用され、フェージング速度が所定値よりも遅ければ、重み係数自体にそれほど変動はないものと判断し、先行するフレームで算出された重み係数をそのまま用いることにより重み係数の更新回数を減らしている。例えば更新回数を所定のフレーム数ごとに１フレームの割合としている。
また、受信信号にＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）エラー等の受信エラーが発生するほど重み係数の誤差が広がるまで重み係数の更新処理を行わないものもある。
【０００４】
【非特許文献１】
菊間信良著，「アレーアンテナによる適応信号処理」，株式会社科学技術出版，１９９８年１１月，ｐ．１３−６６
【特許文献１】
特開２００２−７７０１２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の技術では、以下に示す問題がある。
移動端末装置のフェージング速度に基づいて重み係数の更新回数を減らすシステムでは、重み係数の更新回数の低減可否の判断は経験的に得られた条件に頼ることになるので、必ずしも重み係数の変動に対応して更新回数が減らされるとは限らず、受信品質が劣化する虞がある。
また、受信エラーが発生してから重み係数の更新を行うシステムでは、受信品質に重大な悪影響を及ぼす虞があり、好ましくない。
受信信号の伝搬路特性の変動に重み係数を的確に追従させるためには、重み係数の更新回数を減らすことは望ましくない一方、計算量が多いことは移動端末の消費電流を大きくし、電池の大型化や電池寿命の短命化といった悪影響を及ぼす。
【０００６】
このような理由から、適切な重み係数を得るとともに、その計算量を減らすことが要望されている。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、適切な重み係数を得るのに要する計算量を減らすことにより、低消費電力化を図ることができるアダプティブアレーアンテナシステムおよび重み係数算出制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載のアダプティブアレーアンテナシステムは、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備え、前記各アンテナ素子で受信された受信信号を重み係数により重み付けして合成し出力するアダプティブアレーアンテナシステムにおいて、前記受信信号のうち、既知の信号に対して、前記重み係数の算出を適応制御により実行する重み係数計算手段と、前記重み係数計算手段による前記適応制御の収束状況を評価する評価手段と、前記評価手段による収束状況の評価結果に応じて、前記重み係数計算手段による、前記既知の信号に対する前記適応制御の動作を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記評価手段により前記重み係数計算手段による適応制御が収束したと判断されると、前記重み係数計算手段による適応制御を間欠的に動作させることを特徴としている。
【００１３】
請求項２に記載のアダプティブアレーアンテナシステムにおいては、前記制御手段は、前記重み係数計算手段による適応制御を特定の間隔で間欠動作させることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載のアダプティブアレーアンテナシステムにおいては、前記制御手段は、前記重み係数計算手段による適応制御を間欠動作させている場合に、前記評価手段による適応制御の収束判断条件が満たされなくなると、前記重み係数計算手段による適応制御を定常動作に戻すことを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載のアダプティブアレーアンテナシステムにおいては、前記制御手段は、前記重み係数計算手段による適応制御を間欠的に動作させる間隔を適応的に制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の重み係数算出制御方法は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備え、前記各アンテナ素子で受信された受信信号を重み係数により重み付けして合成し出力するアダプティブアレーアンテナシステムにおける重み係数算出制御方法であって、前記受信信号のうち、既知の信号に対して、前記重み係数の算出を適応制御により実行する重み係数計算過程と、前記重み係数計算過程による前記適応制御の収束状況を評価する評価過程と、前記評価過程による収束状況の評価結果に応じて、前記重み係数計算過程による、前記既知の信号に対する前記適応制御の動作を制御する制御過程と、を含み、前記制御過程では、前記評価過程により前記重み係数計算過程による適応制御が収束したと判断されると、前記重み係数計算過程による適応制御を間欠的に動作させることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。なお、本実施形態では、無線通信方式として、「cdma2000 lxEV-DO」と呼ばれる符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）方式を例に挙げて説明する。
図１は、本発明の実施形態によるアダプティブアレーアンテナシステムの構成を示すブロック図である。図１に示すアダプティブアレーアンテナシステムは、「cdma2000 lxEV-DO」方式の無線通信システムにおいて、例えば移動局（例えば携帯電話機）に具備されるものであり、無線基地局から送信された無線信号を複数（図１の例では４個）のアンテナ素子ＡＮＴ１〜ＡＮＴ４からなるアレーアンテナを用いて受信し、この受信信号を重み係数で重み付けして合成するものである。
【００１８】
図２は、「cdma2000 lxEV-DO」方式の無線通信システムにおいて、無線基地局から移動局へ無線信号を伝送する際に使用されるフレームの構成の一部を示す図である。上記図１のシステムが無線信号を受信する際には図２のフレームが使用される。図２には、フレーム内に時分割で複数多重されているタイムスロットの構成を示している。この図２において、パイロット（Ｐｉｌｏｔ）信号は既知の信号であり、ＣＤＭＡ方式における拡散信号（ＰＮ符号）の９６個のエレメント（９６チップ）で構成されている。パイロット信号は適応制御による重み係数の算出に使用される。例えば、パイロット信号１０１は、後続のＭＡＣ信号から次のパイロット信号１０２までの区間の受信信号用の重み係数Ｗkの算出に使用される。
【００１９】
図１において、アダプティブアレーアンテナシステムは、４個のアンテナ素子ＡＮＴ１〜ＡＮＴ４からなるアレーアンテナと無線部２と乗算器４と加算器８とウエイト計算部１０と参照信号記憶部１２と収束状況評価部１４とウエイト計算制御部１６とを備える。
無線部２は、アンテナ素子ＡＮＴ１〜４からの４個の無線信号を増幅してベースバンド信号へ変換後、Ａ／Ｄ変換器（Analog to Digital Converter）によりデジタル信号に変換して受信信号ｘ1〜ｘ4を出力する。これら受信信号ｘ1〜ｘ4はアンテナ素子ＡＮＴ１〜４にそれぞれ対応している。
【００２０】
乗算器４は、アンテナ素子ＡＮＴ１〜４の各々に対応して設けられている。各乗算器４には、該当するアンテナ素子に対応する受信信号が無線部２から入力される。また、各乗算器４には、当該アンテナ素子に対応する重み係数がウエイト計算部１０から入力される。
【００２１】
乗算器４は、入力された受信信号に対して、ウエイト計算部１０からの重み係数を乗ずることにより、重み付けを行う。この重み付け後の受信信号は、加算器８に入力される。加算器８は、各乗算器４から入力された重み付け後の受信信号を加算することにより合成して出力信号Ｙを生成し出力する。また、この出力信号Ｙはウエイト計算部１０に入力される。
【００２２】
ウエイト計算部１０（重み係数計算手段）は、ＭＭＳＥベースの適応アルゴリズムにより、アンテナ素子ＡＮＴ１〜４からなるアレーアンテナの指向性を制御するための重み係数ｗ1〜ｗ4を算出する。この適応アルゴリズムとしては、ＬＭＳ（Least Mean Square）やＲＬＳ（Recursive Least-Squares）などが利用可能である。
【００２３】
ウエイト計算部１０には、参照信号記憶部１２からの参照信号ｒと無線部２からの受信信号ｘ1〜ｘ4と出力信号Ｙとウエイト計算制御部１６からの制御命令とが入力される。参照信号記憶部１２は上記図２に示した既知のパイロット信号に対応する参照信号ｒを予め記憶している。
【００２４】
ウエイト計算部１０は、入力された参照信号ｒと受信信号ｘ1〜ｘ4と出力信号Ｙを使用して、参照信号ｒと出力信号Ｙの移動平均二乗誤差Ｅが最小となるように適応制御して重み係数ｗ1〜ｗ4を算出する。この重み係数の算出処理は、９６チップからなるパイロット信号に対して実行される。すなわち、パイロット信号が受信される度に、算出結果の重み係数ｗ1〜ｗ4が、それぞれ対応する乗算器４に入力され、重み係数が更新される。
【００２５】
ウエイト計算部１０は、重み係数の一回の更新処理において、パイロット信号中の１番目のチップから順にチップ単位で、適応制御の演算を実行する。そして、ウエイト計算制御部１６から制御命令を受けた場合には、この制御命令に従って適応制御の演算を実行する。
【００２６】
また、ウエイト計算部１０は、パイロット信号のチップ単位での適応制御の演算毎に、上記移動平均二乗誤差Ｅを収束状況評価部１４へ出力する。移動平均二乗誤差Ｅは、（１），（２）式で定義される。
【００２７】
【数１】
0004216107.tif 000002
【数２】
0004216107.tif 000003
【００２８】
但し、ｔは１番目のチップから９６番目のチップまでのチップ単位の時刻、
ｒ(t)は時刻ｔの参照信号、
Ｗk(t)は時刻ｔにおける重み係数ベクトル[ｗ(t)1〜ｗ(t)4]、
Ｘ(t)は時刻ｔにおける受信信号ベクトル[ｘ(t)1〜ｘ(t)4]、
ｅ(t)は時刻ｔにおける瞬時の２乗誤差、
Ｅ(m)は移動平均区間ｍにおける移動平均二乗誤差、
Ｌは移動平均長、
ｔnはｎ番目のチップに対応する時刻（ｎ＝１，２，３，…，９６）、
Hは複素共役転置の表記、
*は複素共役の表記、
である。
【００２９】
収束状況評価部１４（評価手段）は、ウエイト計算部１０からの移動平均二乗誤差Ｅに基づいて、該ウエイト計算部１０による適応制御の収束状況を評価する。この評価方法については後述する。収束状況評価部１４は、その評価結果をウエイト計算制御部１６へ出力する。
【００３０】
ウエイト計算制御部１６（制御手段）は、収束状況評価部１４からの評価結果に応じて、ウエイト計算部１０による適応制御の動作を制御する。この適応制御の動作制御方法については後述する。
【００３１】
次に、上記した適応制御の収束状況の評価方法について説明する。
本実施形態では、移動平均二乗誤差Ｅに基づいてウエイト計算部１０による適応制御の収束状況を評価する。この評価方法としては各種の方法が考えられるが、その例を挙げて以下に説明する。
初めに、第１の評価方法を説明する。図３は、第１の評価方法を説明するための図である。この第１の評価方法では、図３に示すように、移動平均二乗誤差Ｅが、所定の閾値Ｔｈを連続して所定回数下回れば、ウエイト計算部１０による適応制御が収束したと判断する。あるいは、移動平均二乗誤差Ｅが、所定の閾値Ｔｈを１回でも下回れば適応制御が収束したと判断するようにしてもよい。上記閾値Ｔｈの値には、例えばＣＩＲのダイナミックレンジに基づいてＣＩＲの下限界値に対応する値を選択すればよい。
【００３２】
次に、第２の評価方法を説明する。この第２の評価方法では、移動平均二乗誤差Ｅの変化率に基づいて、ウエイト計算部１０による適応制御が収束したか否かを判断する。移動平均二乗誤差Ｅの変化率βは（３）式により定義される。
【００３３】
【数３】
0004216107.tif 000004
【００３４】
そして、変化率βが所定の閾値β0よりも小さければ収束したと判断する。
【００３５】
収束状況評価部１４は、ウエイト計算部１０による適応制御が収束したと判断した時点で、その旨をウエイト計算制御部１６へ通知する。
【００３６】
上記したように本実施形態では、移動平均二乗誤差Ｅに基づいてウエイト計算部１０による適応制御が収束したと判断する。移動平均二乗誤差は、ＣＩＲ（Carrier to Interference Ratio）の改善度と相関があることが知られている。ＣＩＲは受信特性を表すものである。従って、良好なＣＩＲに対応する閾値Ｔｈあるいはβ0を使用することにより、収束したと判断された時点での重み係数は、受信品質を良好に保つことができるものとなる。
【００３７】
次に、上記した適応制御の動作制御方法について説明する。本実施形態では、ウエイト計算部１０による１パイロット毎の重み係数の更新処理において、上記した評価方法によりウエイト計算部１０による適応制御が収束したと判断された時点から以降の当該重み係数更新処理における計算量を削減するように、ウエイト計算部１０による適応制御の動作を制御する。この適応制御の動作制御方法としては各種の方法が考えられるが、その例を挙げて以下に説明する。
【００３８】
初めに、第１の動作制御方法を説明する。この第１の動作制御方法では、ウエイト計算部１０による適応制御が収束したと判断された時点から以降は、適応制御の動作を停止させる。これにより、ウエイト計算部１０は、該動作停止命令を受けた時点から以降のチップに対する適応制御の演算を行わない。そしてウエイト計算部１０は、重み係数の更新には、該動作停止時点で得られている重み係数を使用する。この結果、ウエイト計算部１０における重み係数の更新のための計算量が削減される。
【００３９】
次に、第２の動作制御方法を説明する。図４は、第２の動作制御方法を説明するための図である。この第２の動作制御方法では、図４に示すように、ウエイト計算部１０による適応制御が収束したと判断された時点から以降は、適応制御を１チップ毎ではなく間欠的に動作させる。これにより、ウエイト計算部１０は、該動作開始命令を受けた時点から次の１チップに対してのみ、適応制御の演算を行う。そして、ウエイト計算部１０は、重み係数の更新には、最後の適応制御の演算で得られた重み係数を使用する。この結果、ウエイト計算部１０における重み係数の更新のための計算量が削減されるとともに、重み係数が適用される受信信号にできる限り近い時間まで適応制御が行われるので、重み係数の精度が向上する。
【００４０】
なお、上記した間欠動作の方法としては、特定の間隔で動作させてもよい。
また、ウエイト計算部１０による適応制御を間欠動作させている場合に、上記した閾値Ｔｈあるいは閾値β0による収束判断条件が満たされなくなったら、該適応制御を定常動作に戻すようにしてもよい。
また、動作間隔を適応的に制御するようにしてもよい。この動作間隔を適応的に制御する方法では、収束状況評価部１４により、一旦、収束したと判断された時点から以降の移動平均二乗誤差Ｅを監視させる。そして、移動平均二乗誤差Ｅが減少している期間では動作間隔を広げるようにし、一方、移動平均二乗誤差Ｅが増加している期間では動作間隔を狭めるようにする。例えば、（４）式により適応制御する対象のチップ（時刻）を制御する。
【００４１】
ｔn+1＝ｔn＋Δｔn+1  ・・・（４）
但し、Δｔn+1は、
β(n)＜β0の場合に、Δｔn+1＋１であり、
β(n)≧β0の場合に、１である。
【００４２】
図５、図６に、上記（４）により適応制御させる動作間隔を適応的に制御した場合のシミュレーション結果を示す。図５は、適応制御演算回数の累積確立分布を示す図である。図６は、ＣＩＲ改善度の累積確立分布を示す図である。
図５に示すように、閾値β0の値に応じて適応制御演算回数は減少している。これに対してＣＩＲ改善度は、図６に示すように、閾値β0の値が変化しても略同じである。このように、本実施形態によれば、受信品質が維持されるとともに、適切な重み係数を得るまでに要する計算量を減らすことができる。これにより、ＤＳＰ等の消費電力が低減される。
【００４３】
なお、本発明のアダプティブアレーアンテナシステムは、無線基地局にも同様に適用することができる。また、受信信号の重み係数を適応制御により算出するシステムであれば、上記した「cdma2000 lxEV-DO」方式など、各種の無線通信方式に適用可能である。
【００４４】
以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、重み係数の計算における適応制御の収束状況が評価され、この評価結果に応じて該適応制御の動作が制御されるので、適切な重み係数を得るのに要する計算量を減らすことができる。この結果としてＤＳＰ等の消費電力が低減されるので、低消費電力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態によるアダプティブアレーアンテナシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】  図１のシステムが無線信号を受信する際に使用されるフレームの構成の一部を示す図である。
【図３】  本実施形態における適応制御の収束状況の一評価方法について説明するための図である。
【図４】  本実施形態における適応制御の一動作制御方法を説明するための図である。
【図５】  本実施形態における適応制御の一動作制御方法によりシミュレーションした結果を示す第１の図である。
【図６】  本実施形態における適応制御の一動作制御方法によりシミュレーションした結果を示す第２の図である。
【符号の説明】
２…無線部、４…乗算器、８…加算器、１０…ウエイト計算部、１２…参照信号記憶部、１４…収束状況評価部、１６…ウエイト計算制御部、ＡＮＴ１〜ＡＮＴ４…アンテナ素子
【図１】
0004216107.tif 000005
【図２】
0004216107.tif 000006
【図３】
0004216107.tif 000007
【図４】
0004216107.tif 000008
【図５】
0004216107.tif 000009
【図６】
0004216107.tif 000010