固有値分解を利用しない信号到来方向推定手法および受信ビーム形成装置
アレーアンテナを構成する複数個のアレーアンテナ素子により到来電波を受信し、いくつかのアレーアンテナ素子の受信データの相関を計算し、各アレーアンテナ素子に存在する付加雑音の影響を受けない相関行列を作る。次には、アレー応答行列の分割に基づいて簡単な線形演算で作られた相関行列から雑音部分空間を得て、アレーアンテナに入射する信号を推定する。すべてのアレーアンテナ素子受信データ間の相関を計算し、固有値分解する処理が必要ないので、演算量が低減され、耐雑音性が向上される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、アレーアンテナを用いて電波到来方向を精度良く推定する基地局の電波到来方向推定装置、および、その到来方向の推定結果に基づくアンテナのビーム指向性を可変する基地局の指向性可変受信および送信装置に関するものである。本発明は、計算上有効な手段で複数個の入射信号（相互に無相関でない信号、または、完全な相関を持つ多重波（マルチパス））の到来方向を推定する方法であり、特に、受信データの長さが短かったり、低いＳＮＲの場合でも、入射方向の似通った入射波の到来方向を精度良く推定することができるようにした手法である。
【背景技術】
近年、移動通信に適応アレーアンテナ（Ａｄａｐｔｉｖｅ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ）を用いた研究開発が注目されている。適応アレーアンテナでは、複数個のアンテナ素子をある形状で異なる空間位置に配置している。アンテナに入射する電波（以下、信号処理の立場から信号という場合がある）の到来方向を推定する問題は適応アレーアンテナの重要な要素技術のひとつと考えられる。信号の到来方向推定問題に関して、推定精度と計算演算量などの立場から信号部分空間と雑音部分空間の直交性を利用した部分空間手法（Ｓｕｂｓｐａｃｅ−ｂａｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ）は良く知られている。従来の部分空間手法には、信号（あるいは雑音）部分空間を得るため、アレー共分散行列の固有値分解（Ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＥＶＤ）、あるいは、アレーデータ行列の特異値分解（Ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＳＶＤ）などの処理が必要となる。しかし、実際のアレーアンテナの実装の場合には、特に、アレー素子の数が多い時、固有値分解（あるいは特異値分解）処理は計算が複雑化し、計算時間がかなりかかる。
従来、アレーアンテナを用いて無相関入射波の到来方向を推定する方法として、計算の複雑さや推定精度などの立場から、信号と雑音部分空間の直交性を用いた部分空間手法は良く知られている。その代表例として、ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）がある（この手法の詳細について、文献Ｒ．Ｏ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，”Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｅｍｉｔｔｅｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．３４，ｎｏ．３，ｐｐ．２７６−２８０（１９８６）を参照）。また、完全な相関性を持つ多重波の到来方向推定問題への対応策として、空間スムージングを用いた部分空間手法（Ｓｕｂｓｐａｃｅ−ｂａｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）は良く知られている。その代表例として、空間スムージングＭＵＳＩＣ（Ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｂａｓｅｄ ＭＵＳＩＣ）がある（この手法の詳細については、文献 Ｔ．Ｊ．Ｓｈａｎ，Ｍ．Ｗａｘ ａｎｄ Ｔ．Ｋａｉｌａｔｈ，”Ｏｎ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−ａｒｒｉｖａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｃｏｕｓｔ．，Ｓｐｅｅｃｈ，Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｖｏｌ．３３，ｎｏ．４，ｐｐ．８０６−８１１（１９８５）およびＳ．Ｕ．Ｐｉｌｌａｉ ａｎｄ Ｂ．Ｈ．Ｋｗｏｎ，”Ｆｏｒｗａｒｄ／ｂａｃｋｗａｒｄ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｃｏｕｓｔ．，Ｓｐｅｅｃｈ，Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｖｏｌ．３７，ｎｏ．１，ｐｐ．８−１５（１９８９）を参照）。
無相関信号の到来方向を推定する部分空間手法は、アレーアンテナに入射する信号からのアレー共分散行列を求めて、この共分散行列の固有値分解により信号部分空間と雑音部分空間を求める。そして、信号部分空間と雑音部分空間の直交性を利用して、信号の到来方向を推定する。しかし、相関を持つ信号（完全な相関性を持つ多重波を含む）の到来方向では、入射信号の相関を抑圧するために、線形等間隔アレー（Ｕｎｉｆｏｒｍ ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ：ＵＬＡ）をサブアレー化し、各サブアレーの共分散行列の平均操作を行うことにより、空間的に平均された共分散行列の信号部分空間の次元を多重波の個数に回復する。したがって、従来の部分空間手法のように信号部分空間と雑音部分空間の直交関係を利用して、相関信号の到来方向を推定することが可能となる。
従来の信号到来方向推定に関する部分空間手法の欠点を説明するため、その代表例として、文献 Ｔ．Ｊ．Ｓｈａｎ，Ｍ．Ｗａｘ ａｎｄ Ｔ．Ｋａｉｌａｔｈ，”Ｏｎ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−ａｒｒｉｖａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｃｏｕｓｔ．，Ｓｐｅｅｃｈ，Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｖｏｌ．３３，ｎｏ．４，ｐｐ．８０６−８１１（１９８５）に記載された多重波の到来方向を推定する空間スムージングＭＵＳＩＣを簡単に述べる。
ここで、Ｍ個のアレー素子数を持つ線形等間隔アレーにｐ個の多重波狭帯域信号｛ｓｋ（ｎ）｝が角度｛θｋ｝からアレーアンテナに入射しているとする（ここで、ｋ＝１〜ｐ）。各素子のアレー受信信号は以下のように表せる。
、ｓ（ｎ）＝［ｓ１（ｎ），ｓ２（ｎ），…，ｓｐ（ｎ）］Ｔ、ｗ（ｎ）＝［ｗ１（ｎ），ｗ２（ｎ），…，ｗＭ（ｎ）］Ｔ、ω０＝２πｆ０、τ（θｋ）＝（ｄ／ｃ）ｓｉｎθｋであり、ｆ０、ｃとｄは搬送波の周波数、伝搬速度と素子間隔（半波長）である。また、（・）Ｔは転置を表し、ａ（θｋ）とＡはアレー応答ベクトルと応答行列である。ｗｉ（ｎ）は素子ごとに独立な平均０かつ電力σ２の白色ガウス雑音とする。ここで、アレーの共分散行列は次式となる。
ここで、Ｅ｛・｝と（・）Ｈは、期待値演算と複素共役転置を表し、Ｒｓ＝Ｅ｛ｓ（ｎ）ｓＨ（ｎ）｝は、入射する多重波の共分散行列であり、ＩＭは、Ｍ×Ｍ単位行列である。さらに、観測データｙｉ（ｎ）とｙｋ（ｎ）の相関ｒｉｋをｒｉｋ＝Ｅ｛ｙＩ（ｎ）ｙｋ＊（ｎ）｝で定義すると、上記式にあるアレーの共分散行列Ｒは次式で明確に表現できる。
ここで、ｒｉｋ＝ｒ＊ｉｋ、（・）＊は複素共役をあらわす。
図１は、線形等間隔アレーのサブアレー化を説明する図である。
空間スムージングＭＵＳＩＣは完全な相関性を持つ多重波の到来方向｛θｋ｝を推定するため、図１のように、全体の線形等間隔アレーをＬ個のｍ個（１≦ｍ≦Ｍ）の素子を持つオーバラップしたサブアレー（Ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ ｓｕｂａｒｒａｙ）に分割する。ここで、ｍとＬはサブアレーのサイズとサブアレーの個数と呼ばれ、Ｌ＝Ｍ−ｍ＋１である。数１より、１番目のサブアレーの受信ベクトルｘ１（ｎ）は、数４で表現できる。
ここで、Ａｍ＝［ａｍ（θ１）、ａｍ（θ２）、・・・、ａｍ（θｐ）］
行列であり、１＝１、２、・・・、Ｌである。また、ａｍ（θｋ）とＡｍはサブアレーの応答ベクトルと応答行列である。したがって、１番目のサブアレーの共分散行列は数５で与えられる。
さらに、Ｌ個のサブアレーの共分散行列｛Ｒｉ｝を空間的に平均すると、数６のような共分散行列が得られる。
ことができる。
とする行列、Ａは、｛λｉ｝を要素とする対角行列である。また、信号ベクトル｛ｅ１、ｅ２、・・・、ｅｐ｝と雑音ベクトル｛ｅｐ＋１、ｅｐ＋２、・・・、ｅｍ｝が張る空間をそれぞれ信号部分空間と雑音部分空間と呼ぶ。なお、信号部分空間はアレーの応答ベクトルを用いてあらわすことができる。信号部分空間と雑音部分空間の直交関係に基づく到来方向推定方法は部分空間手法と呼ばれる。
ｅｍ｝と信号部分空間に存在するサブアレーの応答ベクトルａｍ（θｋ）には、次の直交関係が成立する。
ここで、ｉ＝ｐ＋１、・・・、ｍである。この直交関係から、次のようなスペク
数７で与えられたスペクトルのｐ個の最大ピークの位置から、入射する多重波の到来方向を推定する。
数７で明らかなように、（空間スムージング）ＭＵＳＩＣなど到来方向を推定する部分空間手法には、信号または雑音部分空間を得るため、アレー共分散行列の固有値分解を行う必要性がある。しかし、実際のアレーアンテナの実装の場合には、特にアレー素子の数が多いとき、または、実時間処理で変化する到来方向を推定する際に、固有値分解（あるいは特異値分解）処理は計算が複雑で、計算時間がかなりかかる。したがって、従来の固有値分解に基づく部分空間到来方向推定手法の実際への応用における性能は、計算の負担となる固有値分解処理の処理時間に制限されてしまう。さらに、高速かつ高精度でアレーに入射する信号の到来方向を推定できないと、正確な基地局の受信／送信ビーム形成ができなくなるし、基地局の受信および送信システムの性能が劣化することが生じる。
【発明の開示】
本発明の課題は、アレーアンテナ受信データの長さが短いまたは信号対雑音比が低い場合でも、固有値分解を利用しない少ない演算量で空間的に角度が近い信号（相互に無相関でない信号または完全な相関を持つ多重波）の到来方向を正確に推定できる手法を与えることである。
本発明の信号の到来方向推定方法は、複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号から、いくつかの素子データ間の相関を求め、前記の相関から一つの相関行列を作るステップと、前記の相関行列から線形演算で雑音部分空間を推定するステップと、前記の雑音部分空間を用いた空間スペクトルのピーク位置、または、これに等価な一つの多項式のゼロ点を計算し、信号の到来方向を計算する推定ステップとを備えることを特徴とする。
本発明によれば、相関行列が一部のアンテナ素子間の相関のみを使うので、全部のアンテナ素子間の相関を扱うより扱うデータが少なくてすむ。また、固有値分解を行わないので、演算量が減少し、実時間で変化する信号の到来方向の推定を基地局に実装するのに現実的な方法を与える。
【図面の簡単な説明】
図１は、線形等間隔アレーのサブアレー化を説明する図である。
図２〜図５は、本発明の実施形態の各態様を説明する図である。
図６は、送信源と基地局受信アンテナ２０との配置を示す図である。
図７は、本発明の実施の形態を基地局アンテナ２０に導入した多重波到来方向推定システムを示すブロック図である。
図８は、到来方向推定部５０の行う処理を説明する図である。
を示す図である。
る。
図１１は、本発明の実施形態の到来方向推定手法を使った到来方向推定装置を用いて、希望の到来方向にピークが向くビームを形成する基地局の受信ビーム形成装置を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明は、時空間的に無相関白色雑音または空間的に相関する雑音環境において、アレーアンテナ受信データの長さが短い、または、信号対雑音比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）が低い場合でも、固有値分解を利用しない少ない演算量で空間的に角度が近い信号の到来方向を正確に推定できる手法を提案する。
図２〜図５は、本発明の実施形態の各態様を説明する図である。
以上の目的を達成するために、本発明の実施形態の一態様では、図２に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データからＭ番目素子データと第１、２、・・・、Ｍ−１番目素子データ間の相関｛ｒ１Ｍ、ｒ２Ｍ、・・・、ｒＭ−１，Ｍ｝の計算を行い、前記相関から一つ相関行列Φｆを作り、前記相関行列から線形演算で雑音部分空間の計算をし、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算で得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の別の態様では、図２に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから、第一番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関｛ｒ２１、ｒ３１、・・・、ｒＭ１｝
空間スペクトルのピーク位置、または、演算で得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の態様では、図３に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関｛ｒ１２、ｒ１３、・・・、ｒ１Ｍ｝を計算し、前記相関から一つ相関行列Φｂを作り、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向の計算する。
また、本発明の実施形態の更に別の態様では、図３に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データからＭ番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関｛ｒＭ１、ｒＭ２、・・・、ｒＭ，Ｍ−１｝
で雑音部分空間を計算し、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向を計算する。
また、本発明の実施形態の更に別の態様では、図２と図３に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関、および、Ｍ番目素子データと第１、２、・・・、Ｍ−１番目素子データ間の相関計算を行い、得ら
前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向を計算する。
また、本発明の実施形態の更に別の態様では、図２と図３に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関、および、Ｍ番目素子データと第１、２、・・・、Ｍ−１番目素子データ間の相関計算を行い、得ら
音部分空間の計算を行い、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の態様では、図２と図３に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関、および、Ｍ番目素子データと第１、２、・・・、Ｍ−１番目素子データ間の相関計算を行い、得ら
部分空間の計算を行い、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点の基づいて多重波の到来方向を計算する。
また、上記の実施形態の態様における到来方向推定手法を用いて、時空間的に無相関白色雑音環境における無相関信号の到来方向の計算を行う。
また、上記の実施形態の態様における到来方向推定手法を用いて、時空間的に無相関白色雑音環境における部分相関信号の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の態様においては、図４と図５に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一
意の一つの行列から一つの相関行列Φ（たとえば、Φ＝Φｆ）を作り、前記相関行列から線形演算で雑音部分空間の計算を行い、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて空間的に相関する雑音環境における無相関または部分相関の多重波信号の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の実施形態においては、図４と図５に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから
前記相関行列から線形演算で雑音部分空間を計算し、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて空間的に相関する雑音環境における無相関または部分相関の多重波信号の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の態様においては、図４と図５に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一
作り、前記相関行列から線形演算で雑音部分空間を計算し、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて空間的に相関する雑音環境における無相関または部分相関の多重波信号の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の態様においては、図４と図５に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一
から線形演算で雑音部分空間の計算を行い、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて空間的に相関する雑音環境における無相関または部分相関の多重波信号の到来方向の計算を行う。
また、上記実施形態の態様による到来方向推定手法は、基地局の到来方向推定装置に適用される。
また、上記実施形態の態様による到来方向推定手法を基地局に適用し、得られた信号の到来方向にピークが向くビームを生成する送信ビームを形成する装置を基地局に備える。
本発明はアレーアンテナを用いて電波到来方向を精度良く推定する基地局の電波到来方向推定装置およびその到来方向の推定結果に基づくアンテナのビーム指向性を可変する基地局の指向性可変受信および送信装置に関するものである。
以下、図を用いて、本発明の実施の形態として、基地局の電波到来方向推定装置を説明する。これらの図において、概略同じものあるいは同じ機能を有するものについては同じ符号を付する。また、簡単のため、前述した複数の実施の形態の内の一つについて述べる。
図６は、送信源と基地局受信アンテナ２０との配置を示す図である。また、図７は、本発明の実施の形態を基地局アンテナ２０に導入した多重波到来方向推定システムを示すブロック図である。
基地局受信アンテナ２０には、図７に示した、到来方向推定部５０を含む多重波到来方向推定システムが配置される。ここでは、送信源１０から基地局受信アンテナ２０に直接入射する信号は直接波１１とする。また、建物などによって反射されてから基地局受信アンテナ２０に入射する信号は反射波１２とする。図６においては一例として、二つの反射波を示すが、以下では送信源１２からの直接波と反射波の合計の個数はｐとする。また、ｐを既知と仮定する。さらに、直接波と反射波の関係は、次式で表せる。
ここで、βｋは、直接波ｓ１（ｎ）に関しての反射波ｓｋ（ｎ）の複素減衰をあらわすマルチパス係数である。ただし、βｋ≠０とβ１＝１である。
この到来方向推定システムは、アレーアンテナ３０、ベースバンドおよびデジタル処理部４０、および、到来方向推定部５０から構成されている。また、アレーアンテナ３０は、Ｍ個（ただし、Ｍ＞２ｐ）のアンテナ素子３１から構成されるとする。
図８は、到来方向推定部５０の行う処理を説明する図である。
この到来方向推定部５０は、アレーで間の相関の計算手段５１、相関行列の形成手段５２、線形演算子の計算手段５３、直交射影作用素の計算手段５４およびスペクトルのピーク位置または多項式のゼロ点位相の決定手段５５で構成されている。
以下に、到来方向推定部５０における多重波の到来方向推定手順について、図８を用いて説明する。まず、アレーデータ間の相関の計算手段５１は、ベースバンドおよびデジタル処理部４０から得られた複素デジタル信号ｙ１（ｎ）、ｙ２（ｎ）、・・・、ｙＭ（ｎ）で、数１のように受信ベクトルｙ（ｎ）を作る。
いて、数１１で信号ｙ（ｎ）とｙ＊Ｍ（ｎ）およびｙ（ｎ）とｙ＊１（ｎ）の相関
次に、相関行列の形成手段５２は、数１１で得られた相関値を使って、図２
を形成する。
ここで、Ｌ＝Ｍ−ｐ＋１である。数２より、データの長さＮが十分大きい場合
ここで、Ｊｍは、ｍ×ｍ反転行列である。さらに、数１２より、（Ｌ−１）×４
つの部分に分割する。
ここで、ｐ×４ｐの相関行列Φ１と（Ｌ−ｐ−１）×４ｐの相関行列Φ２は、
演算子Ｐを求める。
める。
最後に、スペクトルのピーク位置、または、多項式のゼロ点位相の決定手段
のｐ個ピークの内の一番高いピークの位置、あるいは、数１７に示した多項式ｐ（ｚ）のｐ個のゼロ点の内、単位円に一番近いゼロ点から多重波の到来方向
このように、到来方向推定部５０で多重波の到来方向を推定できる。以下、計算機シミュレーションの具体例を通じて、さらに、詳細を説明する。ここで、アンテナ素子数Ｍを１０とする。また、同じパワーを持つ２つの多重波（ｐ＝２）は、到来方向θ１＝５°とθ２＝１２°でアレーアンテナに入射する。
まず、信号対雑音比（ＳＮＲ）に対する本発明の実施形態に基づく多重波到来方向の推定性能を考察する。ここで、受信データの長さＮを１２８とし、ＳＮＲを−１０から２５ｄＢまでの範囲に変化させる。各ＳＮＲに対して１０００回の計算を行う。
を示す図である。
比較するため、本発明に基づく多重波到来方向の推定の理論的な誤差、到来方向推定の理想的な最小誤差を示すＣＲＢ（Ｃｒａｍ▲ｅ▼ｒ−Ｒａｏ ｌｏｗｅｒ ｂｏｕｎｄ）と従来の空間スムージングＭＵＳＩＣ（ｍ＝７）を用いた結果をプロットしている。
図９で明らかなように、本発明に基づく到来方向推定手法では、相関行列Φｆ、
観測雑音の影響が除去されるので、本発明の手法の推定性能は固有値分解を用いた空間スムージングＭＵＳＩＣよりはるかによくなっている。また、本発明の手法の理論誤差とＣＲＢの差はかなり小さい。さらに、本発明の手法の演算量はかなり低減されて、空間スムージングＭＵＳＩＣの演算量の１／７．１４７となっている。
次に、受信データの長さに対する本発明に基づく多重波到来方向の推定性能を示す。ここで、ＳＮＲを１０ｄＢとし、受信データの長さＮ（スナップショット数）を１０〜１０００の範囲に変化させる。
る。
図１０に示すように、データの長さが大きくなる場合には、本発明の方法の推定誤差ＲＭＳＥは、かなり理想的な最小誤差ＣＲＢに近づくが、受信データが少ない場合にも、本発明の方法は従来の空間スムージングＭＵＳＩＣより正確な到来方向の推定を与えられる。
多重波または部分相関信号または無相関信号の到来方向推定方法を簡単に実施できる。
数１４〜数１７の考え方を利用して、空間相関雑音環境における多重波または部分相関信号または無相関信号の到来方向推定方法を実施できる。ここで、共分散行列Ｒの対各要素に近い要素を除いて相関行列を作るのは、対角要素に近い部分に雑音成分が乗るからである。したがって、共分散行列Ｒの対各要素に近い要素を除いて相関行列を作ることにより、雑音成分が含まれていても正しく信号の到来方向を推定できる手法を提供することができる。
また、以上に説明した到来方向推定手法を使った到来方向推定装置を用いて、希望の到来方向に強度ピークが向くビームを形成する基地局の受信ビーム形成装置を実施できる。
図１１は、本発明の実施形態の到来方向推定手法を使った到来方向推定装置を用いて、希望の到来方向にピークが向くビームを形成する基地局の受信ビーム形成装置を説明する図である。
ここで、基地局２０における受信ビーム形成装置構成では、アレーアンテナ２０で信号を受信し、ベースバンドおよびデジタル処理部３０から複素デジタル受信データを得て、到来方向推定部４０から得られた到来方向の推定値を用いたビーム形成器６０で希望するビーム形成できる。干渉や雑音などを抑圧しながら希望信号を抽出するデータはビーム形成器６０からチャネル受信部７０に送られ、チャネル受信部７０において、従来の周知の方法で受信処理が行われ、受信データが得られる。なお、ビーム形成器７０として、本発明の手法により得られた到来方向の情報を利用して種々の構成が可能であるが、たとえば、Ｏ．Ｌ．Ｆｒｏｓｔ，”Ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｒｒａｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，ｖｏｌ．６０，ｎｏ．８，ｐｐ．９２６−９３５（１９７５）およびＪ．Ｘｉｎ，Ｈ Ｔｓｕｊｉ，Ｙ Ｈａｓｅ，ａｎｄ Ａ．Ｓａｎｏ，”Ａｒｒａｙ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｙｃｌｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ ４８ｔｈ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．８９０−８９４，Ｏｔｔａｗａ，Ｃａｎａｄａ（１９９８）などに記載されたビーム形成手法を活用して、希望の信号到来方向にビームを形成することが可能である。
これは、基地局における受信感度のピークを推定された到来方向に向ける受信ビームのピークを制御することに使用してもよいし、基地局が信号を送信する際に、送信信号の強度のピークが推定された到来方向に向くように、送信ビームのピークを制御するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
以上説明したように、本発明は固有値分解を利用しない、少ない演算量で空間的に角度が近い信号の到来方向の推定を行う。計算機シミュレーションの具体例で明らかにしたように、受信データの長さが短い、または、信号対雑音比が低い場合でも、本発明の手法より、基地局におけるアレーアンテナに入射する信号の到来方向を正確に推定できる。また、本発明の手法は従来の空間スムージングＭＵＳＩＣ手法に比較して少ない演算量で非常に優れた推定性能が得られる。したがって、多重波の到来方向推定時の精度向上を図ることが可能となる。さらに、本発明の到来方向推定手法から得られた信号の到来方向に関する情報を利用して、ある希望方向に指向性をもつビームを形成できる基地局の指向性可変受信および送信装置を実施することができる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【技術分野】
本発明は、アレーアンテナを用いて電波到来方向を精度良く推定する基地局の電波到来方向推定装置、および、その到来方向の推定結果に基づくアンテナのビーム指向性を可変する基地局の指向性可変受信および送信装置に関するものである。本発明は、計算上有効な手段で複数個の入射信号（相互に無相関でない信号、または、完全な相関を持つ多重波（マルチパス））の到来方向を推定する方法であり、特に、受信データの長さが短かったり、低いＳＮＲの場合でも、入射方向の似通った入射波の到来方向を精度良く推定することができるようにした手法である。
【背景技術】
近年、移動通信に適応アレーアンテナ（Ａｄａｐｔｉｖｅ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ）を用いた研究開発が注目されている。適応アレーアンテナでは、複数個のアンテナ素子をある形状で異なる空間位置に配置している。アンテナに入射する電波（以下、信号処理の立場から信号という場合がある）の到来方向を推定する問題は適応アレーアンテナの重要な要素技術のひとつと考えられる。信号の到来方向推定問題に関して、推定精度と計算演算量などの立場から信号部分空間と雑音部分空間の直交性を利用した部分空間手法（Ｓｕｂｓｐａｃｅ−ｂａｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ）は良く知られている。従来の部分空間手法には、信号（あるいは雑音）部分空間を得るため、アレー共分散行列の固有値分解（Ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＥＶＤ）、あるいは、アレーデータ行列の特異値分解（Ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＳＶＤ）などの処理が必要となる。しかし、実際のアレーアンテナの実装の場合には、特に、アレー素子の数が多い時、固有値分解（あるいは特異値分解）処理は計算が複雑化し、計算時間がかなりかかる。
従来、アレーアンテナを用いて無相関入射波の到来方向を推定する方法として、計算の複雑さや推定精度などの立場から、信号と雑音部分空間の直交性を用いた部分空間手法は良く知られている。その代表例として、ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）がある（この手法の詳細について、文献Ｒ．Ｏ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，”Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｅｍｉｔｔｅｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．３４，ｎｏ．３，ｐｐ．２７６−２８０（１９８６）を参照）。また、完全な相関性を持つ多重波の到来方向推定問題への対応策として、空間スムージングを用いた部分空間手法（Ｓｕｂｓｐａｃｅ−ｂａｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）は良く知られている。その代表例として、空間スムージングＭＵＳＩＣ（Ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｂａｓｅｄ ＭＵＳＩＣ）がある（この手法の詳細については、文献 Ｔ．Ｊ．Ｓｈａｎ，Ｍ．Ｗａｘ ａｎｄ Ｔ．Ｋａｉｌａｔｈ，”Ｏｎ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−ａｒｒｉｖａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｃｏｕｓｔ．，Ｓｐｅｅｃｈ，Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｖｏｌ．３３，ｎｏ．４，ｐｐ．８０６−８１１（１９８５）およびＳ．Ｕ．Ｐｉｌｌａｉ ａｎｄ Ｂ．Ｈ．Ｋｗｏｎ，”Ｆｏｒｗａｒｄ／ｂａｃｋｗａｒｄ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｃｏｕｓｔ．，Ｓｐｅｅｃｈ，Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｖｏｌ．３７，ｎｏ．１，ｐｐ．８−１５（１９８９）を参照）。
無相関信号の到来方向を推定する部分空間手法は、アレーアンテナに入射する信号からのアレー共分散行列を求めて、この共分散行列の固有値分解により信号部分空間と雑音部分空間を求める。そして、信号部分空間と雑音部分空間の直交性を利用して、信号の到来方向を推定する。しかし、相関を持つ信号（完全な相関性を持つ多重波を含む）の到来方向では、入射信号の相関を抑圧するために、線形等間隔アレー（Ｕｎｉｆｏｒｍ ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ：ＵＬＡ）をサブアレー化し、各サブアレーの共分散行列の平均操作を行うことにより、空間的に平均された共分散行列の信号部分空間の次元を多重波の個数に回復する。したがって、従来の部分空間手法のように信号部分空間と雑音部分空間の直交関係を利用して、相関信号の到来方向を推定することが可能となる。
従来の信号到来方向推定に関する部分空間手法の欠点を説明するため、その代表例として、文献 Ｔ．Ｊ．Ｓｈａｎ，Ｍ．Ｗａｘ ａｎｄ Ｔ．Ｋａｉｌａｔｈ，”Ｏｎ ｓｐａｔｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−ａｒｒｉｖａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｃｏｕｓｔ．，Ｓｐｅｅｃｈ，Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｖｏｌ．３３，ｎｏ．４，ｐｐ．８０６−８１１（１９８５）に記載された多重波の到来方向を推定する空間スムージングＭＵＳＩＣを簡単に述べる。
ここで、Ｍ個のアレー素子数を持つ線形等間隔アレーにｐ個の多重波狭帯域信号｛ｓｋ（ｎ）｝が角度｛θｋ｝からアレーアンテナに入射しているとする（ここで、ｋ＝１〜ｐ）。各素子のアレー受信信号は以下のように表せる。
、ｓ（ｎ）＝［ｓ１（ｎ），ｓ２（ｎ），…，ｓｐ（ｎ）］Ｔ、ｗ（ｎ）＝［ｗ１（ｎ），ｗ２（ｎ），…，ｗＭ（ｎ）］Ｔ、ω０＝２πｆ０、τ（θｋ）＝（ｄ／ｃ）ｓｉｎθｋであり、ｆ０、ｃとｄは搬送波の周波数、伝搬速度と素子間隔（半波長）である。また、（・）Ｔは転置を表し、ａ（θｋ）とＡはアレー応答ベクトルと応答行列である。ｗｉ（ｎ）は素子ごとに独立な平均０かつ電力σ２の白色ガウス雑音とする。ここで、アレーの共分散行列は次式となる。
ここで、Ｅ｛・｝と（・）Ｈは、期待値演算と複素共役転置を表し、Ｒｓ＝Ｅ｛ｓ（ｎ）ｓＨ（ｎ）｝は、入射する多重波の共分散行列であり、ＩＭは、Ｍ×Ｍ単位行列である。さらに、観測データｙｉ（ｎ）とｙｋ（ｎ）の相関ｒｉｋをｒｉｋ＝Ｅ｛ｙＩ（ｎ）ｙｋ＊（ｎ）｝で定義すると、上記式にあるアレーの共分散行列Ｒは次式で明確に表現できる。
ここで、ｒｉｋ＝ｒ＊ｉｋ、（・）＊は複素共役をあらわす。
図１は、線形等間隔アレーのサブアレー化を説明する図である。
空間スムージングＭＵＳＩＣは完全な相関性を持つ多重波の到来方向｛θｋ｝を推定するため、図１のように、全体の線形等間隔アレーをＬ個のｍ個（１≦ｍ≦Ｍ）の素子を持つオーバラップしたサブアレー（Ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ ｓｕｂａｒｒａｙ）に分割する。ここで、ｍとＬはサブアレーのサイズとサブアレーの個数と呼ばれ、Ｌ＝Ｍ−ｍ＋１である。数１より、１番目のサブアレーの受信ベクトルｘ１（ｎ）は、数４で表現できる。
ここで、Ａｍ＝［ａｍ（θ１）、ａｍ（θ２）、・・・、ａｍ（θｐ）］
行列であり、１＝１、２、・・・、Ｌである。また、ａｍ（θｋ）とＡｍはサブアレーの応答ベクトルと応答行列である。したがって、１番目のサブアレーの共分散行列は数５で与えられる。
さらに、Ｌ個のサブアレーの共分散行列｛Ｒｉ｝を空間的に平均すると、数６のような共分散行列が得られる。
ことができる。
とする行列、Ａは、｛λｉ｝を要素とする対角行列である。また、信号ベクトル｛ｅ１、ｅ２、・・・、ｅｐ｝と雑音ベクトル｛ｅｐ＋１、ｅｐ＋２、・・・、ｅｍ｝が張る空間をそれぞれ信号部分空間と雑音部分空間と呼ぶ。なお、信号部分空間はアレーの応答ベクトルを用いてあらわすことができる。信号部分空間と雑音部分空間の直交関係に基づく到来方向推定方法は部分空間手法と呼ばれる。
ｅｍ｝と信号部分空間に存在するサブアレーの応答ベクトルａｍ（θｋ）には、次の直交関係が成立する。
ここで、ｉ＝ｐ＋１、・・・、ｍである。この直交関係から、次のようなスペク
数７で与えられたスペクトルのｐ個の最大ピークの位置から、入射する多重波の到来方向を推定する。
数７で明らかなように、（空間スムージング）ＭＵＳＩＣなど到来方向を推定する部分空間手法には、信号または雑音部分空間を得るため、アレー共分散行列の固有値分解を行う必要性がある。しかし、実際のアレーアンテナの実装の場合には、特にアレー素子の数が多いとき、または、実時間処理で変化する到来方向を推定する際に、固有値分解（あるいは特異値分解）処理は計算が複雑で、計算時間がかなりかかる。したがって、従来の固有値分解に基づく部分空間到来方向推定手法の実際への応用における性能は、計算の負担となる固有値分解処理の処理時間に制限されてしまう。さらに、高速かつ高精度でアレーに入射する信号の到来方向を推定できないと、正確な基地局の受信／送信ビーム形成ができなくなるし、基地局の受信および送信システムの性能が劣化することが生じる。
【発明の開示】
本発明の課題は、アレーアンテナ受信データの長さが短いまたは信号対雑音比が低い場合でも、固有値分解を利用しない少ない演算量で空間的に角度が近い信号（相互に無相関でない信号または完全な相関を持つ多重波）の到来方向を正確に推定できる手法を与えることである。
本発明の信号の到来方向推定方法は、複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号から、いくつかの素子データ間の相関を求め、前記の相関から一つの相関行列を作るステップと、前記の相関行列から線形演算で雑音部分空間を推定するステップと、前記の雑音部分空間を用いた空間スペクトルのピーク位置、または、これに等価な一つの多項式のゼロ点を計算し、信号の到来方向を計算する推定ステップとを備えることを特徴とする。
本発明によれば、相関行列が一部のアンテナ素子間の相関のみを使うので、全部のアンテナ素子間の相関を扱うより扱うデータが少なくてすむ。また、固有値分解を行わないので、演算量が減少し、実時間で変化する信号の到来方向の推定を基地局に実装するのに現実的な方法を与える。
【図面の簡単な説明】
図１は、線形等間隔アレーのサブアレー化を説明する図である。
図２〜図５は、本発明の実施形態の各態様を説明する図である。
図６は、送信源と基地局受信アンテナ２０との配置を示す図である。
図７は、本発明の実施の形態を基地局アンテナ２０に導入した多重波到来方向推定システムを示すブロック図である。
図８は、到来方向推定部５０の行う処理を説明する図である。
を示す図である。
る。
図１１は、本発明の実施形態の到来方向推定手法を使った到来方向推定装置を用いて、希望の到来方向にピークが向くビームを形成する基地局の受信ビーム形成装置を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明は、時空間的に無相関白色雑音または空間的に相関する雑音環境において、アレーアンテナ受信データの長さが短い、または、信号対雑音比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）が低い場合でも、固有値分解を利用しない少ない演算量で空間的に角度が近い信号の到来方向を正確に推定できる手法を提案する。
図２〜図５は、本発明の実施形態の各態様を説明する図である。
以上の目的を達成するために、本発明の実施形態の一態様では、図２に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データからＭ番目素子データと第１、２、・・・、Ｍ−１番目素子データ間の相関｛ｒ１Ｍ、ｒ２Ｍ、・・・、ｒＭ−１，Ｍ｝の計算を行い、前記相関から一つ相関行列Φｆを作り、前記相関行列から線形演算で雑音部分空間の計算をし、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算で得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の別の態様では、図２に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから、第一番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関｛ｒ２１、ｒ３１、・・・、ｒＭ１｝
空間スペクトルのピーク位置、または、演算で得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の態様では、図３に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関｛ｒ１２、ｒ１３、・・・、ｒ１Ｍ｝を計算し、前記相関から一つ相関行列Φｂを作り、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向の計算する。
また、本発明の実施形態の更に別の態様では、図３に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データからＭ番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関｛ｒＭ１、ｒＭ２、・・・、ｒＭ，Ｍ−１｝
で雑音部分空間を計算し、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向を計算する。
また、本発明の実施形態の更に別の態様では、図２と図３に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関、および、Ｍ番目素子データと第１、２、・・・、Ｍ−１番目素子データ間の相関計算を行い、得ら
前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向を計算する。
また、本発明の実施形態の更に別の態様では、図２と図３に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関、および、Ｍ番目素子データと第１、２、・・・、Ｍ−１番目素子データ間の相関計算を行い、得ら
音部分空間の計算を行い、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて多重波の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の態様では、図２と図３に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一番目素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目素子データ間の相関、および、Ｍ番目素子データと第１、２、・・・、Ｍ−１番目素子データ間の相関計算を行い、得ら
部分空間の計算を行い、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点の基づいて多重波の到来方向を計算する。
また、上記の実施形態の態様における到来方向推定手法を用いて、時空間的に無相関白色雑音環境における無相関信号の到来方向の計算を行う。
また、上記の実施形態の態様における到来方向推定手法を用いて、時空間的に無相関白色雑音環境における部分相関信号の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の態様においては、図４と図５に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一
意の一つの行列から一つの相関行列Φ（たとえば、Φ＝Φｆ）を作り、前記相関行列から線形演算で雑音部分空間の計算を行い、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて空間的に相関する雑音環境における無相関または部分相関の多重波信号の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の実施形態においては、図４と図５に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから
前記相関行列から線形演算で雑音部分空間を計算し、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて空間的に相関する雑音環境における無相関または部分相関の多重波信号の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の態様においては、図４と図５に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一
作り、前記相関行列から線形演算で雑音部分空間を計算し、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて空間的に相関する雑音環境における無相関または部分相関の多重波信号の到来方向の計算を行う。
また、本発明の実施形態の更に別の態様においては、図４と図５に示すように、線形等間隔アレーのアンテナ素子からの複素デジタル受信データから第一
から線形演算で雑音部分空間の計算を行い、前記雑音部分空間を使って空間スペクトルのピーク位置、または、演算によって得られる多項式のゼロ点に基づいて空間的に相関する雑音環境における無相関または部分相関の多重波信号の到来方向の計算を行う。
また、上記実施形態の態様による到来方向推定手法は、基地局の到来方向推定装置に適用される。
また、上記実施形態の態様による到来方向推定手法を基地局に適用し、得られた信号の到来方向にピークが向くビームを生成する送信ビームを形成する装置を基地局に備える。
本発明はアレーアンテナを用いて電波到来方向を精度良く推定する基地局の電波到来方向推定装置およびその到来方向の推定結果に基づくアンテナのビーム指向性を可変する基地局の指向性可変受信および送信装置に関するものである。
以下、図を用いて、本発明の実施の形態として、基地局の電波到来方向推定装置を説明する。これらの図において、概略同じものあるいは同じ機能を有するものについては同じ符号を付する。また、簡単のため、前述した複数の実施の形態の内の一つについて述べる。
図６は、送信源と基地局受信アンテナ２０との配置を示す図である。また、図７は、本発明の実施の形態を基地局アンテナ２０に導入した多重波到来方向推定システムを示すブロック図である。
基地局受信アンテナ２０には、図７に示した、到来方向推定部５０を含む多重波到来方向推定システムが配置される。ここでは、送信源１０から基地局受信アンテナ２０に直接入射する信号は直接波１１とする。また、建物などによって反射されてから基地局受信アンテナ２０に入射する信号は反射波１２とする。図６においては一例として、二つの反射波を示すが、以下では送信源１２からの直接波と反射波の合計の個数はｐとする。また、ｐを既知と仮定する。さらに、直接波と反射波の関係は、次式で表せる。
ここで、βｋは、直接波ｓ１（ｎ）に関しての反射波ｓｋ（ｎ）の複素減衰をあらわすマルチパス係数である。ただし、βｋ≠０とβ１＝１である。
この到来方向推定システムは、アレーアンテナ３０、ベースバンドおよびデジタル処理部４０、および、到来方向推定部５０から構成されている。また、アレーアンテナ３０は、Ｍ個（ただし、Ｍ＞２ｐ）のアンテナ素子３１から構成されるとする。
図８は、到来方向推定部５０の行う処理を説明する図である。
この到来方向推定部５０は、アレーで間の相関の計算手段５１、相関行列の形成手段５２、線形演算子の計算手段５３、直交射影作用素の計算手段５４およびスペクトルのピーク位置または多項式のゼロ点位相の決定手段５５で構成されている。
以下に、到来方向推定部５０における多重波の到来方向推定手順について、図８を用いて説明する。まず、アレーデータ間の相関の計算手段５１は、ベースバンドおよびデジタル処理部４０から得られた複素デジタル信号ｙ１（ｎ）、ｙ２（ｎ）、・・・、ｙＭ（ｎ）で、数１のように受信ベクトルｙ（ｎ）を作る。
いて、数１１で信号ｙ（ｎ）とｙ＊Ｍ（ｎ）およびｙ（ｎ）とｙ＊１（ｎ）の相関
次に、相関行列の形成手段５２は、数１１で得られた相関値を使って、図２
を形成する。
ここで、Ｌ＝Ｍ−ｐ＋１である。数２より、データの長さＮが十分大きい場合
ここで、Ｊｍは、ｍ×ｍ反転行列である。さらに、数１２より、（Ｌ−１）×４
つの部分に分割する。
ここで、ｐ×４ｐの相関行列Φ１と（Ｌ−ｐ−１）×４ｐの相関行列Φ２は、
演算子Ｐを求める。
める。
最後に、スペクトルのピーク位置、または、多項式のゼロ点位相の決定手段
のｐ個ピークの内の一番高いピークの位置、あるいは、数１７に示した多項式ｐ（ｚ）のｐ個のゼロ点の内、単位円に一番近いゼロ点から多重波の到来方向
このように、到来方向推定部５０で多重波の到来方向を推定できる。以下、計算機シミュレーションの具体例を通じて、さらに、詳細を説明する。ここで、アンテナ素子数Ｍを１０とする。また、同じパワーを持つ２つの多重波（ｐ＝２）は、到来方向θ１＝５°とθ２＝１２°でアレーアンテナに入射する。
まず、信号対雑音比（ＳＮＲ）に対する本発明の実施形態に基づく多重波到来方向の推定性能を考察する。ここで、受信データの長さＮを１２８とし、ＳＮＲを−１０から２５ｄＢまでの範囲に変化させる。各ＳＮＲに対して１０００回の計算を行う。
を示す図である。
比較するため、本発明に基づく多重波到来方向の推定の理論的な誤差、到来方向推定の理想的な最小誤差を示すＣＲＢ（Ｃｒａｍ▲ｅ▼ｒ−Ｒａｏ ｌｏｗｅｒ ｂｏｕｎｄ）と従来の空間スムージングＭＵＳＩＣ（ｍ＝７）を用いた結果をプロットしている。
図９で明らかなように、本発明に基づく到来方向推定手法では、相関行列Φｆ、
観測雑音の影響が除去されるので、本発明の手法の推定性能は固有値分解を用いた空間スムージングＭＵＳＩＣよりはるかによくなっている。また、本発明の手法の理論誤差とＣＲＢの差はかなり小さい。さらに、本発明の手法の演算量はかなり低減されて、空間スムージングＭＵＳＩＣの演算量の１／７．１４７となっている。
次に、受信データの長さに対する本発明に基づく多重波到来方向の推定性能を示す。ここで、ＳＮＲを１０ｄＢとし、受信データの長さＮ（スナップショット数）を１０〜１０００の範囲に変化させる。
る。
図１０に示すように、データの長さが大きくなる場合には、本発明の方法の推定誤差ＲＭＳＥは、かなり理想的な最小誤差ＣＲＢに近づくが、受信データが少ない場合にも、本発明の方法は従来の空間スムージングＭＵＳＩＣより正確な到来方向の推定を与えられる。
多重波または部分相関信号または無相関信号の到来方向推定方法を簡単に実施できる。
数１４〜数１７の考え方を利用して、空間相関雑音環境における多重波または部分相関信号または無相関信号の到来方向推定方法を実施できる。ここで、共分散行列Ｒの対各要素に近い要素を除いて相関行列を作るのは、対角要素に近い部分に雑音成分が乗るからである。したがって、共分散行列Ｒの対各要素に近い要素を除いて相関行列を作ることにより、雑音成分が含まれていても正しく信号の到来方向を推定できる手法を提供することができる。
また、以上に説明した到来方向推定手法を使った到来方向推定装置を用いて、希望の到来方向に強度ピークが向くビームを形成する基地局の受信ビーム形成装置を実施できる。
図１１は、本発明の実施形態の到来方向推定手法を使った到来方向推定装置を用いて、希望の到来方向にピークが向くビームを形成する基地局の受信ビーム形成装置を説明する図である。
ここで、基地局２０における受信ビーム形成装置構成では、アレーアンテナ２０で信号を受信し、ベースバンドおよびデジタル処理部３０から複素デジタル受信データを得て、到来方向推定部４０から得られた到来方向の推定値を用いたビーム形成器６０で希望するビーム形成できる。干渉や雑音などを抑圧しながら希望信号を抽出するデータはビーム形成器６０からチャネル受信部７０に送られ、チャネル受信部７０において、従来の周知の方法で受信処理が行われ、受信データが得られる。なお、ビーム形成器７０として、本発明の手法により得られた到来方向の情報を利用して種々の構成が可能であるが、たとえば、Ｏ．Ｌ．Ｆｒｏｓｔ，”Ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｒｒａｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，ｖｏｌ．６０，ｎｏ．８，ｐｐ．９２６−９３５（１９７５）およびＪ．Ｘｉｎ，Ｈ Ｔｓｕｊｉ，Ｙ Ｈａｓｅ，ａｎｄ Ａ．Ｓａｎｏ，”Ａｒｒａｙ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｙｃｌｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ ４８ｔｈ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．８９０−８９４，Ｏｔｔａｗａ，Ｃａｎａｄａ（１９９８）などに記載されたビーム形成手法を活用して、希望の信号到来方向にビームを形成することが可能である。
これは、基地局における受信感度のピークを推定された到来方向に向ける受信ビームのピークを制御することに使用してもよいし、基地局が信号を送信する際に、送信信号の強度のピークが推定された到来方向に向くように、送信ビームのピークを制御するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
以上説明したように、本発明は固有値分解を利用しない、少ない演算量で空間的に角度が近い信号の到来方向の推定を行う。計算機シミュレーションの具体例で明らかにしたように、受信データの長さが短い、または、信号対雑音比が低い場合でも、本発明の手法より、基地局におけるアレーアンテナに入射する信号の到来方向を正確に推定できる。また、本発明の手法は従来の空間スムージングＭＵＳＩＣ手法に比較して少ない演算量で非常に優れた推定性能が得られる。したがって、多重波の到来方向推定時の精度向上を図ることが可能となる。さらに、本発明の到来方向推定手法から得られた信号の到来方向に関する情報を利用して、ある希望方向に指向性をもつビームを形成できる基地局の指向性可変受信および送信装置を実施することができる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号から、いくつかの素子データ間の相関を求め、前記の相関から一つの相関行列を作るステップと、
前記の相関行列から線形演算で雑音部分空間を推定するステップと、
前記の雑音部分空間を用いた空間スペクトルのピーク位置、または、これに等価な一つの多項式のゼロ点を計算し、信号の到来方向を計算する推定ステップと、
を備えることを特徴とする信号の到来方向推定方法。
【請求項２】
前記相関行列は、Ｍをアンテナ素子数としたとき、第Ｍ番目素子データと第１、２、・・・、Ｍ−１番目の素子データ間の相関から求められることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項３】
前記相関行列は、Ｍをアンテナ素子数としたとき、第１番目の素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目の素子データ間の相関から求められることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項４】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項５】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項６】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項７】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項８】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられる行列の任意の２つから生成されることを特徴とする請求項１に載の到来方向推定方法。
【請求項９】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられる行列の内の任意の３つから生成されることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項１０】
関とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられる行列を４つ組み合わせて得られることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項１１】
から求められることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項１２】
関から求められることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項１３】
で与えられる行列の内、任意の一つ、任意の二つ、任意の三つ、あるいは、四つすべてを用いて与えられることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項１４】
前記到来方向推定方法は、基地局において実施されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の到来方向推定方法。
【請求項１５】
前記到来方向推定方法は、基地局において実施され、該基地局は、推定された到来方向に、アンテナが受信信号を受信する場合の感度のピークである受信ビームのピークを向けることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の到来方向推定方法。
【請求項１６】
前記到来方向推定方法は、基地局において実施され、該基地局は、推定された到来方向に、アンテナが信号を送信する場合の送信強度のピークである送信ビームのピークを向けることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の到来方向推定方法。
【請求項１７】
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号から、いくつかの素子データ間の相関を求め、前記の相関から一つの相関行列を作るステップと、
前記の相関行列から線形演算で雑音部分空間を推定するステップと、
前記の雑音部分空間を用いた空間スペクトルまたは一つの多項式のゼロ点を計算し、信号の到来方向を計算する推定ステップと、
を備えることを特徴とする信号の到来方向推定方法を情報処理装置に実現させるプログラム。
【請求項１８】
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号から、いくつかの素子データ間の相関を求め、前記の相関から一つの相関行列を作るステップと、
前記の相関行列から線形演算で雑音部分空間を推定するステップと、
前記の雑音部分空間を用いた空間スペクトルまたは一つの多項式のゼロ点を計算し、信号の到来方向を計算する推定ステップと、
を備えることを特徴とする信号の到来方向推定方法を情報処理装置に実現させるプログラムを格納した、情報処理装置読み取り可能な記録媒体。
【請求項１９】
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号から、いくつかの素子データ間の相関を求め、前記の相関から一つの相関行列を作る相関行列生成手段と、
前記の相関行列から線形演算で雑音部分空間を推定する雑音部分空間推定手段と、
前記の雑音部分空間を用いた空間スペクトルまたは一つの多項式のゼロ点を計算し、信号の到来方向を計算する到来方向推定手段と、
を備えることを特徴とする信号の到来方向推定装置。
【請求項１】
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号から、いくつかの素子データ間の相関を求め、前記の相関から一つの相関行列を作るステップと、
前記の相関行列から線形演算で雑音部分空間を推定するステップと、
前記の雑音部分空間を用いた空間スペクトルのピーク位置、または、これに等価な一つの多項式のゼロ点を計算し、信号の到来方向を計算する推定ステップと、
を備えることを特徴とする信号の到来方向推定方法。
【請求項２】
前記相関行列は、Ｍをアンテナ素子数としたとき、第Ｍ番目素子データと第１、２、・・・、Ｍ−１番目の素子データ間の相関から求められることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項３】
前記相関行列は、Ｍをアンテナ素子数としたとき、第１番目の素子データと第２、３、・・・、Ｍ番目の素子データ間の相関から求められることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項４】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項５】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項６】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項７】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項８】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられる行列の任意の２つから生成されることを特徴とする請求項１に載の到来方向推定方法。
【請求項９】
とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられる行列の内の任意の３つから生成されることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項１０】
関とし、Ｍをアンテナ素子数、ｐ、Ｌを任意の自然数とすると、
で与えられる行列を４つ組み合わせて得られることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項１１】
から求められることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項１２】
関から求められることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項１３】
で与えられる行列の内、任意の一つ、任意の二つ、任意の三つ、あるいは、四つすべてを用いて与えられることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定方法。
【請求項１４】
前記到来方向推定方法は、基地局において実施されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の到来方向推定方法。
【請求項１５】
前記到来方向推定方法は、基地局において実施され、該基地局は、推定された到来方向に、アンテナが受信信号を受信する場合の感度のピークである受信ビームのピークを向けることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の到来方向推定方法。
【請求項１６】
前記到来方向推定方法は、基地局において実施され、該基地局は、推定された到来方向に、アンテナが信号を送信する場合の送信強度のピークである送信ビームのピークを向けることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の到来方向推定方法。
【請求項１７】
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号から、いくつかの素子データ間の相関を求め、前記の相関から一つの相関行列を作るステップと、
前記の相関行列から線形演算で雑音部分空間を推定するステップと、
前記の雑音部分空間を用いた空間スペクトルまたは一つの多項式のゼロ点を計算し、信号の到来方向を計算する推定ステップと、
を備えることを特徴とする信号の到来方向推定方法を情報処理装置に実現させるプログラム。
【請求項１８】
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号から、いくつかの素子データ間の相関を求め、前記の相関から一つの相関行列を作るステップと、
前記の相関行列から線形演算で雑音部分空間を推定するステップと、
前記の雑音部分空間を用いた空間スペクトルまたは一つの多項式のゼロ点を計算し、信号の到来方向を計算する推定ステップと、
を備えることを特徴とする信号の到来方向推定方法を情報処理装置に実現させるプログラムを格納した、情報処理装置読み取り可能な記録媒体。
【請求項１９】
複数個のアンテナ素子を同じ素子間隔で直線状の異なる空間位置に配列したアレーアンテナ素子からの受信信号から、いくつかの素子データ間の相関を求め、前記の相関から一つの相関行列を作る相関行列生成手段と、
前記の相関行列から線形演算で雑音部分空間を推定する雑音部分空間推定手段と、
前記の雑音部分空間を用いた空間スペクトルまたは一つの多項式のゼロ点を計算し、信号の到来方向を計算する到来方向推定手段と、
を備えることを特徴とする信号の到来方向推定装置。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０４６２０
【国際公開日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【発行日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５７２１１０（Ｐ２００４−５７２１１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／００６４１１
【国際出願日】平成１５年５月２２日（２００３．５．２２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【発行日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／００６４１１
【国際出願日】平成１５年５月２２日（２００３．５．２２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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