通信方法およびそれを利用した無線装置
【課題】無線パスのそれぞれを特定することによってウエイトベクトルの推定精度を向上したい。
【解決手段】時間追跡部４８は、受信信号ベクトルの時間共分散行列の固有ベクトルをもとに、複数のクラスタのそれぞれとの間の遅延時間を導出する。方向追跡部５０は、遅延時間をもとに、受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離し、積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、分離した成分の到来方向と角度広がりとをクラスタ単位に導出する。予想部５２は、将来的な到来方向、角度広がり、遅延時間をクラスタ単位に予想する。推定部５６は、将来的な到来方向と角度広がりとをもとに導出したチャネル行列を、将来的な遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出する。送信ウエイトベクトル計算部５８は、将来的な受信信号ベクトルをもとに、ウエイトベクトルを導出する。
【解決手段】時間追跡部４８は、受信信号ベクトルの時間共分散行列の固有ベクトルをもとに、複数のクラスタのそれぞれとの間の遅延時間を導出する。方向追跡部５０は、遅延時間をもとに、受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離し、積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、分離した成分の到来方向と角度広がりとをクラスタ単位に導出する。予想部５２は、将来的な到来方向、角度広がり、遅延時間をクラスタ単位に予想する。推定部５６は、将来的な到来方向と角度広がりとをもとに導出したチャネル行列を、将来的な遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出する。送信ウエイトベクトル計算部５８は、将来的な受信信号ベクトルをもとに、ウエイトベクトルを導出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信技術に関し、特に複数のアンテナを使用する通信方法およびそれを利用した無線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アダプティブアレイ信号処理では、複数のアンテナにおいて受信した信号（以下、複数のアンテナにおいて受信した信号の組合せを「受信信号ベクトル」という）に重み係数の組合せ（以下、「受信ウエイトベクトル」という）が乗算された後に、合成がなされる。また、以上のような受信処理だけではなく、送信処理にもアダプティブアレイ信号処理が使用される。その場合、例えば、受信ウエイトベクトルや受信ウエイトベクトルをもとに、送信に使用される重み係数の組合せ（以下、「送信ウエイトベクトル」という）が推定される。具体的には、受信信号ウエイトベクトルの第１の推定値と第２の推定値から、外挿補間によって送信ウエイトベクトルが推定される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】国際公開２０００／０７９７０２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者はこうした状況下、以下の課題を認識するに至った。通信の特性を向上させるためには、送信ウエイトベクトルの推定精度の向上が要求される。一般的に、送信側から受信側へ至る無線パスは複数存在しているので、受信ウエイトベクトルには、複数の無線パスの成分が含まれている。このような無線パスは、遅延時間、到来方向等のさまざまなパラメータによって特徴づけられる。さまざまなパラメータ値を特定することによって、無線パスのそれぞれが正確に特定される。さらに、複数の無線パスを正確に特定することによって、送信ウエイトベクトルの推定精度が向上される。
【０００４】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、無線パスのそれぞれを特定することによってウエイトベクトルの推定精度を向上する通信技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の無線装置は、複数のアンテナから受信信号ベクトルを受けつける入力部と、入力部において受けつけた受信信号ベクトルから時間共分散行列を導出する手段と、時間共分散行列を固有値分解することによって、固有ベクトルを導出する手段と、受信信号ベクトルの発信源となる複数のクラスタを想定した場合に、固有ベクトルをもとに、複数のクラスタのそれぞれとの間の遅延時間を導出する手段とを含む時間追跡部と、時間追跡部において導出した遅延時間をもとに、入力部において受けつけた受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離する手段と、分離した成分のそれぞれに対して積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、分離した成分の到来方向と角度広がりとをクラスタ単位に導出する手段とを含む方向追跡部と、方向追跡部において導出した到来方向と角度広がりと、時間追跡部において導出した遅延時間とをもとに、将来的な到来方向、将来的な角度広がり、将来的な遅延時間をクラスタ単位に予想する予想部と、予想部において予想した将来的な到来方向と将来的な角度広がりとをもとにチャネル行列をクラスタ単位に導出する手段と、クラスタ単位に導出したチャネル行列を、当該クラスタに対応した将来的な遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出する手段とを含む推定部と、推定部において導出した将来的な受信信号ベクトルをもとに、複数のアンテナに対するウエイトベクトルを導出するウエイト計算部と、を備える。
【０００６】
本発明の別の態様は、通信方法である。この方法は、複数のアンテナから受けつけた受信信号ベクトルをもとに、時間共分散行列を導出し、時間共分散行列を固有値分解することによって、固有ベクトルを導出するステップと、受信信号ベクトルの発信源となる複数のクラスタを想定した場合に、固有ベクトルをもとに、複数のクラスタのそれぞれとの間の遅延時間を導出するステップと、導出した遅延時間をもとに、受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離し、分離した成分のそれぞれに対して積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、分離した成分の到来方向と角度広がりとをクラスタ単位に導出するステップと、導出した到来方向、角度広がり、遅延時間とをもとに、将来的な到来方向、将来的な角度広がり、将来的な遅延時間をクラスタ単位に予想するステップと、予想した将来的な到来方向と将来的な角度広がりとをもとにチャネル行列をクラスタ単位に導出し、クラスタ単位に導出したチャネル行列を、当該クラスタに対応した遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出するステップと、導出した将来的な受信信号ベクトルをもとに、複数のアンテナに対するウエイトベクトルを導出するステップと、を備える。
【０００７】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、無線パスのそれぞれを特定することによってウエイトベクトルの推定精度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を具体的に説明する前に、まず概要を述べる。本発明の実施例は、複数のアンテナを備えた無線装置に関する。無線装置は、通信対象となる他の無線装置からの信号を受信し、受信ウエイトベクトルを導出することによってアダプティブアレイ信号処理を実行する。また、無線装置は、送信ウエイトベクトルも導出することによって、アダプティブアレイ信号処理を実行しながら、他の無線装置へ信号を送信する。一般的に、送信ウエイトベクトルは、受信信号ベクトルをもとに導出される。なお、他の無線装置から無線装置へ複数の無線パスが存在するので、受信信号ベクトルには、複数の無線パスに対応した成分が含まれている。そのため、複数の無線パスを考慮しながら、送信ウエイトベクトルを導出することによって、送信ウエイトベクトルの推定精度が向上する。これに対応するために本実施例に係る無線装置は、次の処理を実行する。
【００１０】
以下では、無線パスの発信源を「クラスタ」と呼ぶが、クラスタは、無線信号の反射体や錯乱体に相当する。無線装置は、受信信号ベクトルの時間共分散行列を固有値分解することによって、固有ベクトルを導出し、複数のクラスタのそれぞれに対応した遅延時間を特定する。また、無線装置は、遅延時間を利用することによって、複数のクラスタのそれぞれに対応した成分へ受信信号ベクトルを分離する。また、無線装置は、分離した成分のそれぞれに対して、積分型ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法を適用することによって、複数のクラスタのそれぞれに対応した到来方向、角度広がりを導出する。無線装置は、各クラスタに対して、遅延時間、到来方向、角度広がりをもとに、将来的な遅延時間、到来方向、角度広がりを予想する。さらに、無線装置は、将来的な遅延時間、到来方向、角度広がりをもとに、チャネル行列をクラスタ単位に導出し、それらを合成することによって、将来的な受信信号ベクトルを推定する。無線装置は、将来的な受信信号ベクトルから送信ウエイトベクトルを導出する。
【００１１】
図１は、本発明の実施例に係る通信システム１００の構成を示す。通信システム１００は、無線装置１０と総称される第１無線装置１０ａ、第２無線装置１０ｂを含む。また、第２無線装置１０ｂは、アンテナ１２と総称される第１アンテナ１２ａ、第２アンテナ１２ｂ、第３アンテナ１２ｃ、第４アンテナ１２ｄを含む。また、クラスタ１４と総称される第１クラスタ１４ａ、第２クラスタ１４ｂ、第３クラスタ１４ｃ、第４クラスタ１４ｄが含まれる。
【００１２】
通信システム１００は、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ｂ、ｇ、ｎ等の規格に準拠した無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムを採用する。これらの無線ＬＡＮシステムは、公知であるので、ここでは説明を省略する。第１無線装置１０ａは、前述の他の無線装置に相当し、第２無線装置１０ｂの通信対象である。ここでは、説明を明瞭にするために、第１無線装置１０ａに備えられたアンテナの数を「１」とする。第２無線装置１０ｂは、４つのアンテナ１２を備えており、第１無線装置１０ａからのパケット信号を受信すると、受信ウエイトベクトルを導出しながら、アダプティブアレイ信号処理を実行する。また、第２無線装置１０ｂは、送信ウエイトベクトルも導出し、アダプティブアレイ信号処理を実行することによって、第１無線装置１０ａへパケット信号を送信する。つまり、第２無線装置１０ｂは、ビームフォーミングを実行する。なお、第２無線装置１０ｂにおいてなされるアダプティブアレイ信号処理については後述する。
【００１３】
第１無線装置１０ａと第２無線装置１０ｂとの間には、第１クラスタ１４ａから第４クラスタ１４ｄが存在する。例えば、ひとつ目の無線パスは、第１無線装置１０ａ、第１クラスタ１４ａ、第２無線装置１０ｂの経路によって構成される。また、他の無線パスも同様に構成される。ここでは、説明を明瞭にするために、第１無線装置１０ａと第２無線装置１０ｂとの間において、４つの無線パスが存在する場合を想定する。つまり、クラスタ１４は、第１無線装置１０ａから送信されたパケット信号を第２無線装置１０ｂへ反射したり、第２無線装置１０ｂから送信されたパケット信号を第１無線装置１０ａへ反射したりする反射体や錯乱体である。なお、図１には、相対的な角度として、「０°」と「９０°」とが示されているが、これらは、後述の説明において使用される。
【００１４】
図２は、第２無線装置１０ｂの構成を示す。第２無線装置１０ｂは、ＲＦ部２０と総称される第１ＲＦ部２０ａ、第２ＲＦ部２０ｂ、第３ＲＦ部２０ｃ、第４ＲＦ部２０ｄ、処理部２２、変復調部２４、ＩＦ部２６、制御部２８を含む。
【００１５】
ＲＦ部２０は、受信動作として、アンテナ１２によって受信した無線周波数のパケット信号を周波数変換し、ベースバンドのパケット信号を導出する。ＲＦ部２０は、ベースバンドのパケット信号を処理部２２に出力する。一般的に、ベースバンドのパケット信号は、同相成分と直交成分によって形成されるので、ふたつの信号線によって伝送されるべきであるが、ここでは、図を明瞭にするためにひとつの信号線だけを示すものとする。また、ＲＦ部２０には、ＡＧＣやＡ／Ｄ変換部も含まれる。
【００１６】
ＲＦ部２０は、送信動作として、処理部２２からのベースバンドのパケット信号を周波数変換し、無線周波数のパケット信号を導出する。ＲＦ部２０は、無線周波数のパケット信号をアンテナ１２に出力する。また、ＲＦ部２０には、ＰＡ（Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、Ｄ／Ａ変換部も含まれる。なお、以下では、ベースバンドのパケット信号の全部あるいは一部を区別せずに「ベースバンド信号」と呼ぶ。ここでは、４つのＲＦ部２０から処理部２２へ出力されるベースバンド信号の組合せを受信信号ベクトルと呼ぶ。
【００１７】
処理部２２は、受信動作として、受信ウエイトベクトルを導出しながら、受信信号ベクトルに対してアダプティブアレイ信号処理を実行する。なお、通信システム１００が、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ等のＯＦＤＭ変調方式を採用する場合、処理部２２は、各ベースバンド信号を周波数領域に変換し、周波数領域の信号に対してアダプティブアレイ信号処理を実行する。その際、アダプティブアレイ信号処理は、サブキャリア単位になされる。処理部２２は、アダプティブアレイ信号処理の結果（以下、「合成信号」という）を変復調部２４へ出力する。また、処理部２２は、送信動作として、送信ウエイトベクトルを導出しながら、変復調部２４から受けつけたベースバンド信号に対してアダプティブアレイ信号処理を実行する。つまり、処理部２２は、ビームフォーミングを実行する。また、処理部２２は、アダプティブアレイ信号処理の結果を複数のアンテナ１２のそれぞれに対応づけてＲＦ部２０へ出力する。なお、通信システム１００がＩＥＥＥ８０２．１１ｎ規格に準拠した無線ＬＡＮシステムである場合、処理部２２は、複数の系列のそれぞれに対してアダプティブアレイ信号処理を実行する。
【００１８】
変復調部２４は、受信処理として、処理部２２からの合成信号に対して、復調とデインタリーブを実行する。なお、通信システム１００が、ＯＦＤＭ変調方式を採用する場合、復調は、サブキャリア単位でなされる。変復調部２４は、復調した信号をＩＦ部２６へ出力する。また、変復調部２４は、送信処理として、インタリーブと変調を実行する。変復調部２４は、変調した信号を処理部２２へ出力する。送信処理の際に、変調方式は、制御部２８によって指定されるものとする。なお、通信システム１００がＩＥＥＥ８０２．１１ｎ規格に準拠した無線ＬＡＮシステムである場合、変復調部２４は、複数の系列のそれぞれに対して、変復調を実行する。
【００１９】
ＩＦ部２６は、受信処理として、変復調部２４からの復調結果を受けつけ、復調結果を復号する。ＩＦ部２６は、復号結果を出力する。また、ＩＦ部２６は、送信処理として、データを入力し、符号化した後に、変復調部２４へ出力する。送信処理の際に、符号化率は、制御部２８によって指定されるものとする。ここで、符号化の一例は、畳み込み符号化であり、復号の一例は、ビタビ復号であるとする。なお、通信システム１００がＩＥＥＥ８０２．１１ｎ規格に準拠した無線ＬＡＮシステムである場合、ＩＦ部２６は、受信処理として、変復調部２４からの複数の復調結果を合成し、ひとつのデータストリームを形成する。さらに、ひとつのデータストリームを復号する。ＩＦ部２６は、復号したデータストリームを出力する。また、ＩＦ部２６は、送信処理として、ひとつのデータストリームを入力し、符号化した後に、これを分離する。さらに、ＩＦ部２６は、分離したデータを変復調部２４へ出力する。制御部２８は、第２無線装置１０ｂのタイミング等を制御する。なお、制御部２８は、処理部２２において送信ウエイトベクトルを導出する際に、アンテナ１２の偏波を垂直偏波から円偏波に変更させる。
【００２０】
この構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされた通信機能のあるプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
【００２１】
図３は、処理部２２の構成を示す。処理部２２は、受信処理部４０、ウエイト導出部４２、送信処理部４４を含む。また、ウエイト導出部４２は、受信ウエイトベクトル計算部４６、時間追跡部４８、方向追跡部５０、予想部５２、割合導出部５４、推定部５６、送信ウエイトベクトル計算部５８を含む。
【００２２】
受信ウエイトベクトル計算部４６は、受信信号ベクトルのうち、パケット信号に含まれたトレーニング信号の部分において、受信ウエイトベクトルを導出する。なお、受信ウエイトベクトルは、アンテナ１２の数に応じた成分を有する。また、受信ウエイトベクトルの導出には、適応アルゴリズムが使用されてもよく、あるいは伝送路特性が使用されてもよいが、これらの処理には、公知の技術が使用されればよいので、ここでは、説明を省略する。受信ウエイトベクトル計算部４６は、導出した受信ウエイトベクトルを受信処理部４０へ出力する。
【００２３】
受信処理部４０は、処理部２２における動作のうち、受信動作に対応する部分を実行する。具体的に説明すると、受信処理部４０は、受信信号ベクトルを受けつけるとともに、受信ウエイトベクトル計算部４６から受信ウエイトベクトルも受けつける。また、受信処理部４０は、アンテナ１２ごとに、受信信号ベクトルと受信ウエイトベクトルとを対応づけた後に、受信ウエイトベクトルによって受信信号ベクトルを重みづける。さらに、受信処理部４０は、重みづけた受信信号ベクトルを積算することによって、合成信号を生成する。最終的に、受信処理部４０は、合成信号を出力する。
【００２４】
時間追跡部４８も、受信ウエイトベクトル計算部４６と同様に、受信信号ベクトルを受けつける。受信ウエイトベクトルＸ（Ｍ×ＮＰ）は、次のように示される。なお、以下では、表記を簡潔にするために、受信ウエイトベクトルＸ（Ｍ×ＮＰ）を「Ｘ」と示す場合もある。
【数１】
ここで、Ｍはアンテナ１２の数、Ｎはシンボル数、Ｐはシンボルあたりのサンプリング数を示す。また、Ｎｏｉｓｅはガウス雑音を示す。Ａはアレイ応答行列であり、次のように示される。
【数２】
【００２５】
ここで、ａはステアリングベクトルを示し、Ｑは無線パス数を示す。また、Ｂは振幅行列であり、次のように示される。
【数３】
ここで、βは無線パスでの振幅を示す。また、Ｇ’は、送信信号ベクトルＵと時間遅延パルス波形関数Ｇとの畳み込み演算結果であり、次のように示される。
【数４】
ここで、ｇ’は、各無線パスに対応した畳み込み演算結果の成分であり、τは、各無線パスに対応した遅延時間を示す。なお、前述のごとく、無線パスは、クラスタ１４とみなしてもよい。
【００２６】
時間追跡部４８は、受けつけた受信信号ベクトルＸから時間共分散行列Ｒｔを導出する。また、時間追跡部４８は、時間共分散行列Ｒｔを固有値分解することによって、固有ベクトルを導出する。このような処理は、次のように示される。
【数５】
ここで、Ｐは、無線パスごとの信号電力を要素とする対角行列を示し、σ２は雑音電力を示し、Ｉは単位行列を示す。また、Ｖｓは、信号部分空間を張る固有ベクトルを示し、Ｖｎは、雑音部分空間を張る固有ベクトルを示す。処理の対象となる固有ベクトルは、Ｖｓである。
【００２７】
時間追跡部４８は、受信信号ベクトルの発信源となる複数のクラスタ１４を想定した場合に、固有ベクトルＶｓをもとに、複数のクラスタ１４のそれぞれとの間の遅延時間τを導出する。このような処理は、次の式にもとづいてなされる。
【数６】
時間追跡部４８は、τの値を変化させながら、Ｐｍｕｓｉｃｔを順次導出する。また、時間追跡部４８は、Ｑ個のクラスタ１４を想定する場合に、ＰｍｕｓｉｃｔのＱ個の極小値を特定する。特定した極小値に対応した遅延時間が、複数のクラスタ１４のそれぞれとの間の遅延時間τに相当する。なお、時間追跡部４８は、極小値をしきい値と比較し、しきい値よりも小さい極小値をクラスタ１４に対応づけてもよい。
【００２８】
図４（ａ）−（ｃ）は、ウエイト導出部４２の処理を示す。これらのうち、図４（ａ）が時間追跡部４８での処理結果に相当する。図示のごとく、縦軸が相対遅延時間を示す。第１クラスタ１４ａから第４クラスタ１４ｄのそれぞれに対応した遅延時間が、「τ１」から「τ４」のように特定される。図３に戻る。
【００２９】
方向追跡部５０は、時間追跡部４８において導出した遅延時間をもとに、受信信号ベクトルＸをクラスタ１４単位の成分Ｘｋに分離する。なお、ｋは、変数であり、１からＱまでの値を有する。このような分離処理は、受信信号ベクトルに対する時間フィルタリングに相当する。時間フィルタリングは、次のようになされる。
【数７】
【数８】
その結果、Ｘ１からＸＱまでのＱ個の成分が導出される。
【００３０】
方向追跡部５０は、分離した成分Ｘ１からＸＱのそれぞれに対して、積分型ＭＵＳＩＣ法を適用する。積分型ＭＵＳＩＣ法については、例えば、堀田、菊間、榊原、平山、“微分型及び積分型モードベクトルを用いたMUSIC法による到来方向と角度広がりの推定に関する比較検討”、電子情報通信学会論文誌、Vol. J87-B No.9に開示されているように公知の技術であるので、説明を省略するが、以下の式にもとづいてなされる。
【数９】
ここで、φは、クラスタ１４に対応した無線パスの到来方向を示し、ＰＡＳ（φ）は、当該無線パスの角度広がりを示す。ＥＮは、分離した成分の相関行列の固有値分解によって導出される雑音部分空間に対応した固有ベクトル行列を示す。
【００３１】
以上の処理によって、方向追跡部５０は、クラスタ１４単位に、到来方向φと角度広がりＰＡＳ（φ）とを導出する。図４（ｂ）は、方向追跡部５０の処理結果に相当する。図４（ｂ）は、横軸に相当到来角度を示す。図示のごとく、図４（ａ）での遅延時間方向に加えて、到来角度方向にもクラスタ１４が分離される。なお、到来角度方向でのクラスタ１４の広がりが、角度広がりに相当する。図３に戻る。
【００３２】
割合導出部５４は、方向追跡部５０において導出した到来方向をもとに、クラスタ１４単位に分離した成分のそれぞれにおいて、直接波が含まれる割合を導出する。さらに具体的に説明すると、割合導出部５４は、クラスタ１４に対応した無線パスが直接波であるか否かを特定するとともに、Ｋファクターを導出する。Ｋファクターとは、ライス分布でのＫファクターである。ここでは、第１クラスタ１４ａに対する処理を例示する。割合導出部５４は、公知の技術を使用しながら、Ｘ１をもとに受信ウエイトベクトルを導出し、受信ウエイトベクトルを受信処理部４０に設定する。その結果、受信処理部４０は、第１クラスタ１４ａに対応した無線パスを主として受信する。また、割合導出部５４は、受信処理部４０からの合成信号を受けつける。
【００３３】
なお、図示しない第１無線装置１０ａは、垂直偏波を実施しているものとし、当該第２無線装置１０ｂも垂直偏波を実施しているものとする。割合導出部５４は、図示しない制御部２８を介してＲＦ部２０に対して、垂直偏波を円偏波に切りかえるように指示する。その際、ＲＦ部２０は、時間経過とともに、偏波面が回転するように制御する。割合導出部５４は、合成信号の電力の時間変化を監視し、時間変化に伴う電力の傾きを導出する。また、割合導出部５４は、傾きがしきい値よりも大きければ、無線パスが直接波であると決定し、そうでなければ、無線パスが反射波であると決定する。さらに、割合導出部５４は、傾きをもとにＫファクターも導出する。なお、以上の処理は、各クラスタ１４に対してなされ、処理の終了後、ＲＦ部２０は、垂直偏波に戻される。
【００３４】
予想部５２は、クラスタ単位に、方向追跡部５０から到来方向φと角度広がりＰＡＳ（φ）を受けつけ、時間追跡部４８から遅延時間を受けつける。以下では、これらのクラスタ１４単位の組合せを「クラスタ情報」という。予想部５２は、過去に導出されたクラスタ情報と、新たに導出されたクラスタ情報とをもとに、過去の複数のクラスタ１４と新たな複数のクラスタとを対応づける。その結果、予想部５２は、各クラスタ１４の変動状況を把握する。その際、予想部５２は、少なくとも一部分が重なったクラスタ１４同士を同一のクラスタ１４として対応づける。
【００３５】
図４（ｃ）は、予想部５２における処理の概要を示す。図４（ｃ）は、図４（ｂ）の第３クラスタ１４ｃを示す。これが、新たに導出されたクラスタ１４である。また、図４（ｃ）は、第３’クラスタも示す。これが過去に導出されたクラスタである。図示のごとく、ふたつのクラスタでは、一部の領域が重複している。その結果、予想部５２は、これらのクラスタを同一のクラスタであると結論づける。図３に戻る。
【００３６】
なお、重複した領域がないクラスタは、新たに発生したクラスタあるいは消滅したクラスタであるとされる。また、３つ以上のクラスタが重複する場合、予想部５２は、重複した領域の面積をもとに、対応づけを決定する。ここでは、ふたつの時刻におけるクラスタを対応づけたが、予想部５２は、複数の時刻におけるクラスタを対応づけてもよい。その際、領域の重複は、例えば、隣接時刻間において考慮される。予想部５２は、遅延時間の変化から将来的な遅延時間を予想する。予想には、例えば、外挿補間が使用される。また、将来的な到来方向、将来的な角度広がりも、同様に予想される。なお、これらの推定は、クラスタ１４単位になされる。
【００３７】
推定部５６は、予想部５２において予想した将来的な到来方向と将来的な角度広がりとをもとにチャネル行列をクラスタ１４単位に導出する。また、その際に、推定部５６は、割合導出部５４からの直接波であるか否かに関する情報、Ｋファクターも使用する。第ｉクラスタ１４ｉに対するチャネル行列は、次のように示される。
【数１０】
【００３８】
ここで、Ｐは、受信信号強度である。また、右辺の１項目が直接波に関する項、右辺の２項目が反射波に関する項である。なお、割合導出部５４において、該当する無線パスが遅延波である場合、１項目は無視される。反射波に関する項は、次のように示される。
【数１１】
［Ｈｉｉｄ］は、各要素が独立で各行各列が無相関な行列を示す。また、ＲｒｘとＲｔｘは、次のように示される。
【００３９】
【数１２】
ここで、Ｄは、アンテナ１２の間隔を示す。一方、反射波に関する項におけるＳは、次のように示される。
【数１３】
ここで、ＡｏＡは、直接波の到来角であり、ＡｏＤは、直接波の出射角であり、前述のφをもとに決定される。また、ＮＴＸ、ＮＲＸは、図示しない第１無線装置１０ａのアンテナ素子数、アンテナ１２の素子数をそれぞれ示し、ｄはアンテナ１２の間隔を示す。また、λは波長である。
【００４０】
推定部５６は、クラスタ１４単位に導出したチャネル行列を、当該クラスタ１４に対応した将来的な遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルｙ（ｔ）を導出する。ここで、将来的な受信信号ベクトルｙ（ｔ）は、次のように示される。
【数１４】
推定部５６は、将来的な受信信号ベクトルｙ（ｔ）を送信ウエイトベクトル計算部５８へ出力する。
【００４１】
送信ウエイトベクトル計算部５８は、推定部５６において導出した将来的な受信信号ベクトルをもとに、複数のアンテナ１２に対する送信ウエイトベクトルを導出する。例えば、送信ウエイトベクトル計算部５８は、将来的な受信信号ベクトルｙ（ｔ）の共分散行列ＲＴＸを以下のように導出する。
【数１５】
その後、送信ウエイトベクトル計算部５８は、共分散行列を固有値分解することによって、送信ウエイトベクトルを導出する。さらに、送信ウエイトベクトル計算部５８は、送信ウエイトベクトルを送信処理部４４へ出力する。
【００４２】
送信処理部４４は、処理部２２における動作のうち、送信動作に対応する部分を実行する。具体的に説明すると、送信処理部４４は、図示しない変復調部２４からベースバンド信号を受けつけるとともに、送信ウエイトベクトル計算部５８から送信ウエイトベクトルも受けつける。また、受信処理部４０は、アンテナ１２ごとに、送信ウエイトベクトルによってベースバンド信号を重みづける。さらに、送信処理部４４は、重みづけたベースバンド信号を各ＲＦ部２０へ出力する。
【００４３】
以上の構成による通信システム１００の動作を説明する。図５は、ウエイト導出部４２における送信ウエイトベクトルの導出手順を示すフローチャートである。時間追跡部４８は、受信信号ベクトルの時間共分散行列を導出する（Ｓ１０）。時間追跡部４８は、クラスタ１４を特定するとともに、クラスタ１４単位の遅延時間を導出する（Ｓ１２）。方向追跡部５０は、時間フィルタリングによって、受信信号ベクトルをクラスタ１４単位の成分に分離する（Ｓ１４）。方向追跡部５０は、成分単位に積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、クラスタ１４単位に到来方向と角度広がりとを導出する（Ｓ１６）。
【００４４】
割合導出部５４は、クラスタ１４単位に、直接波であるかを特定するとともに、Ｋファクターを導出する（Ｓ１８）。予想部５２は、クラスタ１４単位に、将来的な遅延時間、到来方向、角度広がりを推定する（Ｓ２０）。推定部５６は、クラスタ１４単位にチャネル行列を導出する（Ｓ２２）。また、推定部５６は、チャネル行列を合成することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出する（Ｓ２４）。送信ウエイトベクトル計算部５８は、送信ウエイトベクトルを計算する（Ｓ２６）。
【００４５】
本発明の実施例によれば、受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離した後に、複数のパラメータを考慮してクラスタの移動を推定するので、推定精度を向上できる。また、推定されたクラスタの移動先をもとに、送信ウエイトベクトルを導出するので、送信ウエイトベクトルの推定精度を向上できる。また、送信ウエイトベクトルの推定精度が向上されるので、通信品質を向上できる。また、一部分が重なったクラスタ同士を同一のクラスタとして対応づけるので、対応づけを容易に実行できる。
【００４６】
以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４７】
本発明の実施例において、推定部５６は、直接波に関する項と反射波に関する項とを含む形でチャネル行列を規定し、割合導出部５４からの入力をもとに、直接波に関する項を除外するか否かを決定する。しかしながらこれに限らず例えば、推定部５６は、反射波に関する項によってチャネル行列を規定してもよい。その際、割合導出部５４は、Ｋファクターのみを決定し、推定部５６に出力する。本変形例によれば、割合導出部５４、推定部５６における処理を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例に係る通信システムの構成を示す図である。
【図２】図１の第２無線装置の構成を示す図である。
【図３】図２の処理部の構成を示す図である。
【図４】図４（ａ）−（ｃ）は、図３のウエイト導出部の処理を説明する図である。
【図５】図３のウエイト導出部における送信ウエイトベクトルの導出手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 無線装置、 １２ アンテナ、 １４ クラスタ、 ２０ ＲＦ部、 ２２ 処理部、 ２４ 変復調部、 ２６ ＩＦ部、 ２８ 制御部、 ４０ 受信処理部、 ４２ ウエイト導出部、 ４４ 送信処理部、 ４６ 受信ウエイトベクトル計算部、 ４８ 時間追跡部、 ５０ 方向追跡部、 ５２ 予想部、 ５４ 割合導出部、 ５６ 推定部、 ５８ 送信ウエイトベクトル計算部、 １００ 通信システム。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信技術に関し、特に複数のアンテナを使用する通信方法およびそれを利用した無線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アダプティブアレイ信号処理では、複数のアンテナにおいて受信した信号（以下、複数のアンテナにおいて受信した信号の組合せを「受信信号ベクトル」という）に重み係数の組合せ（以下、「受信ウエイトベクトル」という）が乗算された後に、合成がなされる。また、以上のような受信処理だけではなく、送信処理にもアダプティブアレイ信号処理が使用される。その場合、例えば、受信ウエイトベクトルや受信ウエイトベクトルをもとに、送信に使用される重み係数の組合せ（以下、「送信ウエイトベクトル」という）が推定される。具体的には、受信信号ウエイトベクトルの第１の推定値と第２の推定値から、外挿補間によって送信ウエイトベクトルが推定される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】国際公開２０００／０７９７０２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者はこうした状況下、以下の課題を認識するに至った。通信の特性を向上させるためには、送信ウエイトベクトルの推定精度の向上が要求される。一般的に、送信側から受信側へ至る無線パスは複数存在しているので、受信ウエイトベクトルには、複数の無線パスの成分が含まれている。このような無線パスは、遅延時間、到来方向等のさまざまなパラメータによって特徴づけられる。さまざまなパラメータ値を特定することによって、無線パスのそれぞれが正確に特定される。さらに、複数の無線パスを正確に特定することによって、送信ウエイトベクトルの推定精度が向上される。
【０００４】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、無線パスのそれぞれを特定することによってウエイトベクトルの推定精度を向上する通信技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の無線装置は、複数のアンテナから受信信号ベクトルを受けつける入力部と、入力部において受けつけた受信信号ベクトルから時間共分散行列を導出する手段と、時間共分散行列を固有値分解することによって、固有ベクトルを導出する手段と、受信信号ベクトルの発信源となる複数のクラスタを想定した場合に、固有ベクトルをもとに、複数のクラスタのそれぞれとの間の遅延時間を導出する手段とを含む時間追跡部と、時間追跡部において導出した遅延時間をもとに、入力部において受けつけた受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離する手段と、分離した成分のそれぞれに対して積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、分離した成分の到来方向と角度広がりとをクラスタ単位に導出する手段とを含む方向追跡部と、方向追跡部において導出した到来方向と角度広がりと、時間追跡部において導出した遅延時間とをもとに、将来的な到来方向、将来的な角度広がり、将来的な遅延時間をクラスタ単位に予想する予想部と、予想部において予想した将来的な到来方向と将来的な角度広がりとをもとにチャネル行列をクラスタ単位に導出する手段と、クラスタ単位に導出したチャネル行列を、当該クラスタに対応した将来的な遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出する手段とを含む推定部と、推定部において導出した将来的な受信信号ベクトルをもとに、複数のアンテナに対するウエイトベクトルを導出するウエイト計算部と、を備える。
【０００６】
本発明の別の態様は、通信方法である。この方法は、複数のアンテナから受けつけた受信信号ベクトルをもとに、時間共分散行列を導出し、時間共分散行列を固有値分解することによって、固有ベクトルを導出するステップと、受信信号ベクトルの発信源となる複数のクラスタを想定した場合に、固有ベクトルをもとに、複数のクラスタのそれぞれとの間の遅延時間を導出するステップと、導出した遅延時間をもとに、受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離し、分離した成分のそれぞれに対して積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、分離した成分の到来方向と角度広がりとをクラスタ単位に導出するステップと、導出した到来方向、角度広がり、遅延時間とをもとに、将来的な到来方向、将来的な角度広がり、将来的な遅延時間をクラスタ単位に予想するステップと、予想した将来的な到来方向と将来的な角度広がりとをもとにチャネル行列をクラスタ単位に導出し、クラスタ単位に導出したチャネル行列を、当該クラスタに対応した遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出するステップと、導出した将来的な受信信号ベクトルをもとに、複数のアンテナに対するウエイトベクトルを導出するステップと、を備える。
【０００７】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、無線パスのそれぞれを特定することによってウエイトベクトルの推定精度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を具体的に説明する前に、まず概要を述べる。本発明の実施例は、複数のアンテナを備えた無線装置に関する。無線装置は、通信対象となる他の無線装置からの信号を受信し、受信ウエイトベクトルを導出することによってアダプティブアレイ信号処理を実行する。また、無線装置は、送信ウエイトベクトルも導出することによって、アダプティブアレイ信号処理を実行しながら、他の無線装置へ信号を送信する。一般的に、送信ウエイトベクトルは、受信信号ベクトルをもとに導出される。なお、他の無線装置から無線装置へ複数の無線パスが存在するので、受信信号ベクトルには、複数の無線パスに対応した成分が含まれている。そのため、複数の無線パスを考慮しながら、送信ウエイトベクトルを導出することによって、送信ウエイトベクトルの推定精度が向上する。これに対応するために本実施例に係る無線装置は、次の処理を実行する。
【００１０】
以下では、無線パスの発信源を「クラスタ」と呼ぶが、クラスタは、無線信号の反射体や錯乱体に相当する。無線装置は、受信信号ベクトルの時間共分散行列を固有値分解することによって、固有ベクトルを導出し、複数のクラスタのそれぞれに対応した遅延時間を特定する。また、無線装置は、遅延時間を利用することによって、複数のクラスタのそれぞれに対応した成分へ受信信号ベクトルを分離する。また、無線装置は、分離した成分のそれぞれに対して、積分型ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法を適用することによって、複数のクラスタのそれぞれに対応した到来方向、角度広がりを導出する。無線装置は、各クラスタに対して、遅延時間、到来方向、角度広がりをもとに、将来的な遅延時間、到来方向、角度広がりを予想する。さらに、無線装置は、将来的な遅延時間、到来方向、角度広がりをもとに、チャネル行列をクラスタ単位に導出し、それらを合成することによって、将来的な受信信号ベクトルを推定する。無線装置は、将来的な受信信号ベクトルから送信ウエイトベクトルを導出する。
【００１１】
図１は、本発明の実施例に係る通信システム１００の構成を示す。通信システム１００は、無線装置１０と総称される第１無線装置１０ａ、第２無線装置１０ｂを含む。また、第２無線装置１０ｂは、アンテナ１２と総称される第１アンテナ１２ａ、第２アンテナ１２ｂ、第３アンテナ１２ｃ、第４アンテナ１２ｄを含む。また、クラスタ１４と総称される第１クラスタ１４ａ、第２クラスタ１４ｂ、第３クラスタ１４ｃ、第４クラスタ１４ｄが含まれる。
【００１２】
通信システム１００は、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ｂ、ｇ、ｎ等の規格に準拠した無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムを採用する。これらの無線ＬＡＮシステムは、公知であるので、ここでは説明を省略する。第１無線装置１０ａは、前述の他の無線装置に相当し、第２無線装置１０ｂの通信対象である。ここでは、説明を明瞭にするために、第１無線装置１０ａに備えられたアンテナの数を「１」とする。第２無線装置１０ｂは、４つのアンテナ１２を備えており、第１無線装置１０ａからのパケット信号を受信すると、受信ウエイトベクトルを導出しながら、アダプティブアレイ信号処理を実行する。また、第２無線装置１０ｂは、送信ウエイトベクトルも導出し、アダプティブアレイ信号処理を実行することによって、第１無線装置１０ａへパケット信号を送信する。つまり、第２無線装置１０ｂは、ビームフォーミングを実行する。なお、第２無線装置１０ｂにおいてなされるアダプティブアレイ信号処理については後述する。
【００１３】
第１無線装置１０ａと第２無線装置１０ｂとの間には、第１クラスタ１４ａから第４クラスタ１４ｄが存在する。例えば、ひとつ目の無線パスは、第１無線装置１０ａ、第１クラスタ１４ａ、第２無線装置１０ｂの経路によって構成される。また、他の無線パスも同様に構成される。ここでは、説明を明瞭にするために、第１無線装置１０ａと第２無線装置１０ｂとの間において、４つの無線パスが存在する場合を想定する。つまり、クラスタ１４は、第１無線装置１０ａから送信されたパケット信号を第２無線装置１０ｂへ反射したり、第２無線装置１０ｂから送信されたパケット信号を第１無線装置１０ａへ反射したりする反射体や錯乱体である。なお、図１には、相対的な角度として、「０°」と「９０°」とが示されているが、これらは、後述の説明において使用される。
【００１４】
図２は、第２無線装置１０ｂの構成を示す。第２無線装置１０ｂは、ＲＦ部２０と総称される第１ＲＦ部２０ａ、第２ＲＦ部２０ｂ、第３ＲＦ部２０ｃ、第４ＲＦ部２０ｄ、処理部２２、変復調部２４、ＩＦ部２６、制御部２８を含む。
【００１５】
ＲＦ部２０は、受信動作として、アンテナ１２によって受信した無線周波数のパケット信号を周波数変換し、ベースバンドのパケット信号を導出する。ＲＦ部２０は、ベースバンドのパケット信号を処理部２２に出力する。一般的に、ベースバンドのパケット信号は、同相成分と直交成分によって形成されるので、ふたつの信号線によって伝送されるべきであるが、ここでは、図を明瞭にするためにひとつの信号線だけを示すものとする。また、ＲＦ部２０には、ＡＧＣやＡ／Ｄ変換部も含まれる。
【００１６】
ＲＦ部２０は、送信動作として、処理部２２からのベースバンドのパケット信号を周波数変換し、無線周波数のパケット信号を導出する。ＲＦ部２０は、無線周波数のパケット信号をアンテナ１２に出力する。また、ＲＦ部２０には、ＰＡ（Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、Ｄ／Ａ変換部も含まれる。なお、以下では、ベースバンドのパケット信号の全部あるいは一部を区別せずに「ベースバンド信号」と呼ぶ。ここでは、４つのＲＦ部２０から処理部２２へ出力されるベースバンド信号の組合せを受信信号ベクトルと呼ぶ。
【００１７】
処理部２２は、受信動作として、受信ウエイトベクトルを導出しながら、受信信号ベクトルに対してアダプティブアレイ信号処理を実行する。なお、通信システム１００が、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ等のＯＦＤＭ変調方式を採用する場合、処理部２２は、各ベースバンド信号を周波数領域に変換し、周波数領域の信号に対してアダプティブアレイ信号処理を実行する。その際、アダプティブアレイ信号処理は、サブキャリア単位になされる。処理部２２は、アダプティブアレイ信号処理の結果（以下、「合成信号」という）を変復調部２４へ出力する。また、処理部２２は、送信動作として、送信ウエイトベクトルを導出しながら、変復調部２４から受けつけたベースバンド信号に対してアダプティブアレイ信号処理を実行する。つまり、処理部２２は、ビームフォーミングを実行する。また、処理部２２は、アダプティブアレイ信号処理の結果を複数のアンテナ１２のそれぞれに対応づけてＲＦ部２０へ出力する。なお、通信システム１００がＩＥＥＥ８０２．１１ｎ規格に準拠した無線ＬＡＮシステムである場合、処理部２２は、複数の系列のそれぞれに対してアダプティブアレイ信号処理を実行する。
【００１８】
変復調部２４は、受信処理として、処理部２２からの合成信号に対して、復調とデインタリーブを実行する。なお、通信システム１００が、ＯＦＤＭ変調方式を採用する場合、復調は、サブキャリア単位でなされる。変復調部２４は、復調した信号をＩＦ部２６へ出力する。また、変復調部２４は、送信処理として、インタリーブと変調を実行する。変復調部２４は、変調した信号を処理部２２へ出力する。送信処理の際に、変調方式は、制御部２８によって指定されるものとする。なお、通信システム１００がＩＥＥＥ８０２．１１ｎ規格に準拠した無線ＬＡＮシステムである場合、変復調部２４は、複数の系列のそれぞれに対して、変復調を実行する。
【００１９】
ＩＦ部２６は、受信処理として、変復調部２４からの復調結果を受けつけ、復調結果を復号する。ＩＦ部２６は、復号結果を出力する。また、ＩＦ部２６は、送信処理として、データを入力し、符号化した後に、変復調部２４へ出力する。送信処理の際に、符号化率は、制御部２８によって指定されるものとする。ここで、符号化の一例は、畳み込み符号化であり、復号の一例は、ビタビ復号であるとする。なお、通信システム１００がＩＥＥＥ８０２．１１ｎ規格に準拠した無線ＬＡＮシステムである場合、ＩＦ部２６は、受信処理として、変復調部２４からの複数の復調結果を合成し、ひとつのデータストリームを形成する。さらに、ひとつのデータストリームを復号する。ＩＦ部２６は、復号したデータストリームを出力する。また、ＩＦ部２６は、送信処理として、ひとつのデータストリームを入力し、符号化した後に、これを分離する。さらに、ＩＦ部２６は、分離したデータを変復調部２４へ出力する。制御部２８は、第２無線装置１０ｂのタイミング等を制御する。なお、制御部２８は、処理部２２において送信ウエイトベクトルを導出する際に、アンテナ１２の偏波を垂直偏波から円偏波に変更させる。
【００２０】
この構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされた通信機能のあるプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
【００２１】
図３は、処理部２２の構成を示す。処理部２２は、受信処理部４０、ウエイト導出部４２、送信処理部４４を含む。また、ウエイト導出部４２は、受信ウエイトベクトル計算部４６、時間追跡部４８、方向追跡部５０、予想部５２、割合導出部５４、推定部５６、送信ウエイトベクトル計算部５８を含む。
【００２２】
受信ウエイトベクトル計算部４６は、受信信号ベクトルのうち、パケット信号に含まれたトレーニング信号の部分において、受信ウエイトベクトルを導出する。なお、受信ウエイトベクトルは、アンテナ１２の数に応じた成分を有する。また、受信ウエイトベクトルの導出には、適応アルゴリズムが使用されてもよく、あるいは伝送路特性が使用されてもよいが、これらの処理には、公知の技術が使用されればよいので、ここでは、説明を省略する。受信ウエイトベクトル計算部４６は、導出した受信ウエイトベクトルを受信処理部４０へ出力する。
【００２３】
受信処理部４０は、処理部２２における動作のうち、受信動作に対応する部分を実行する。具体的に説明すると、受信処理部４０は、受信信号ベクトルを受けつけるとともに、受信ウエイトベクトル計算部４６から受信ウエイトベクトルも受けつける。また、受信処理部４０は、アンテナ１２ごとに、受信信号ベクトルと受信ウエイトベクトルとを対応づけた後に、受信ウエイトベクトルによって受信信号ベクトルを重みづける。さらに、受信処理部４０は、重みづけた受信信号ベクトルを積算することによって、合成信号を生成する。最終的に、受信処理部４０は、合成信号を出力する。
【００２４】
時間追跡部４８も、受信ウエイトベクトル計算部４６と同様に、受信信号ベクトルを受けつける。受信ウエイトベクトルＸ（Ｍ×ＮＰ）は、次のように示される。なお、以下では、表記を簡潔にするために、受信ウエイトベクトルＸ（Ｍ×ＮＰ）を「Ｘ」と示す場合もある。
【数１】
ここで、Ｍはアンテナ１２の数、Ｎはシンボル数、Ｐはシンボルあたりのサンプリング数を示す。また、Ｎｏｉｓｅはガウス雑音を示す。Ａはアレイ応答行列であり、次のように示される。
【数２】
【００２５】
ここで、ａはステアリングベクトルを示し、Ｑは無線パス数を示す。また、Ｂは振幅行列であり、次のように示される。
【数３】
ここで、βは無線パスでの振幅を示す。また、Ｇ’は、送信信号ベクトルＵと時間遅延パルス波形関数Ｇとの畳み込み演算結果であり、次のように示される。
【数４】
ここで、ｇ’は、各無線パスに対応した畳み込み演算結果の成分であり、τは、各無線パスに対応した遅延時間を示す。なお、前述のごとく、無線パスは、クラスタ１４とみなしてもよい。
【００２６】
時間追跡部４８は、受けつけた受信信号ベクトルＸから時間共分散行列Ｒｔを導出する。また、時間追跡部４８は、時間共分散行列Ｒｔを固有値分解することによって、固有ベクトルを導出する。このような処理は、次のように示される。
【数５】
ここで、Ｐは、無線パスごとの信号電力を要素とする対角行列を示し、σ２は雑音電力を示し、Ｉは単位行列を示す。また、Ｖｓは、信号部分空間を張る固有ベクトルを示し、Ｖｎは、雑音部分空間を張る固有ベクトルを示す。処理の対象となる固有ベクトルは、Ｖｓである。
【００２７】
時間追跡部４８は、受信信号ベクトルの発信源となる複数のクラスタ１４を想定した場合に、固有ベクトルＶｓをもとに、複数のクラスタ１４のそれぞれとの間の遅延時間τを導出する。このような処理は、次の式にもとづいてなされる。
【数６】
時間追跡部４８は、τの値を変化させながら、Ｐｍｕｓｉｃｔを順次導出する。また、時間追跡部４８は、Ｑ個のクラスタ１４を想定する場合に、ＰｍｕｓｉｃｔのＱ個の極小値を特定する。特定した極小値に対応した遅延時間が、複数のクラスタ１４のそれぞれとの間の遅延時間τに相当する。なお、時間追跡部４８は、極小値をしきい値と比較し、しきい値よりも小さい極小値をクラスタ１４に対応づけてもよい。
【００２８】
図４（ａ）−（ｃ）は、ウエイト導出部４２の処理を示す。これらのうち、図４（ａ）が時間追跡部４８での処理結果に相当する。図示のごとく、縦軸が相対遅延時間を示す。第１クラスタ１４ａから第４クラスタ１４ｄのそれぞれに対応した遅延時間が、「τ１」から「τ４」のように特定される。図３に戻る。
【００２９】
方向追跡部５０は、時間追跡部４８において導出した遅延時間をもとに、受信信号ベクトルＸをクラスタ１４単位の成分Ｘｋに分離する。なお、ｋは、変数であり、１からＱまでの値を有する。このような分離処理は、受信信号ベクトルに対する時間フィルタリングに相当する。時間フィルタリングは、次のようになされる。
【数７】
【数８】
その結果、Ｘ１からＸＱまでのＱ個の成分が導出される。
【００３０】
方向追跡部５０は、分離した成分Ｘ１からＸＱのそれぞれに対して、積分型ＭＵＳＩＣ法を適用する。積分型ＭＵＳＩＣ法については、例えば、堀田、菊間、榊原、平山、“微分型及び積分型モードベクトルを用いたMUSIC法による到来方向と角度広がりの推定に関する比較検討”、電子情報通信学会論文誌、Vol. J87-B No.9に開示されているように公知の技術であるので、説明を省略するが、以下の式にもとづいてなされる。
【数９】
ここで、φは、クラスタ１４に対応した無線パスの到来方向を示し、ＰＡＳ（φ）は、当該無線パスの角度広がりを示す。ＥＮは、分離した成分の相関行列の固有値分解によって導出される雑音部分空間に対応した固有ベクトル行列を示す。
【００３１】
以上の処理によって、方向追跡部５０は、クラスタ１４単位に、到来方向φと角度広がりＰＡＳ（φ）とを導出する。図４（ｂ）は、方向追跡部５０の処理結果に相当する。図４（ｂ）は、横軸に相当到来角度を示す。図示のごとく、図４（ａ）での遅延時間方向に加えて、到来角度方向にもクラスタ１４が分離される。なお、到来角度方向でのクラスタ１４の広がりが、角度広がりに相当する。図３に戻る。
【００３２】
割合導出部５４は、方向追跡部５０において導出した到来方向をもとに、クラスタ１４単位に分離した成分のそれぞれにおいて、直接波が含まれる割合を導出する。さらに具体的に説明すると、割合導出部５４は、クラスタ１４に対応した無線パスが直接波であるか否かを特定するとともに、Ｋファクターを導出する。Ｋファクターとは、ライス分布でのＫファクターである。ここでは、第１クラスタ１４ａに対する処理を例示する。割合導出部５４は、公知の技術を使用しながら、Ｘ１をもとに受信ウエイトベクトルを導出し、受信ウエイトベクトルを受信処理部４０に設定する。その結果、受信処理部４０は、第１クラスタ１４ａに対応した無線パスを主として受信する。また、割合導出部５４は、受信処理部４０からの合成信号を受けつける。
【００３３】
なお、図示しない第１無線装置１０ａは、垂直偏波を実施しているものとし、当該第２無線装置１０ｂも垂直偏波を実施しているものとする。割合導出部５４は、図示しない制御部２８を介してＲＦ部２０に対して、垂直偏波を円偏波に切りかえるように指示する。その際、ＲＦ部２０は、時間経過とともに、偏波面が回転するように制御する。割合導出部５４は、合成信号の電力の時間変化を監視し、時間変化に伴う電力の傾きを導出する。また、割合導出部５４は、傾きがしきい値よりも大きければ、無線パスが直接波であると決定し、そうでなければ、無線パスが反射波であると決定する。さらに、割合導出部５４は、傾きをもとにＫファクターも導出する。なお、以上の処理は、各クラスタ１４に対してなされ、処理の終了後、ＲＦ部２０は、垂直偏波に戻される。
【００３４】
予想部５２は、クラスタ単位に、方向追跡部５０から到来方向φと角度広がりＰＡＳ（φ）を受けつけ、時間追跡部４８から遅延時間を受けつける。以下では、これらのクラスタ１４単位の組合せを「クラスタ情報」という。予想部５２は、過去に導出されたクラスタ情報と、新たに導出されたクラスタ情報とをもとに、過去の複数のクラスタ１４と新たな複数のクラスタとを対応づける。その結果、予想部５２は、各クラスタ１４の変動状況を把握する。その際、予想部５２は、少なくとも一部分が重なったクラスタ１４同士を同一のクラスタ１４として対応づける。
【００３５】
図４（ｃ）は、予想部５２における処理の概要を示す。図４（ｃ）は、図４（ｂ）の第３クラスタ１４ｃを示す。これが、新たに導出されたクラスタ１４である。また、図４（ｃ）は、第３’クラスタも示す。これが過去に導出されたクラスタである。図示のごとく、ふたつのクラスタでは、一部の領域が重複している。その結果、予想部５２は、これらのクラスタを同一のクラスタであると結論づける。図３に戻る。
【００３６】
なお、重複した領域がないクラスタは、新たに発生したクラスタあるいは消滅したクラスタであるとされる。また、３つ以上のクラスタが重複する場合、予想部５２は、重複した領域の面積をもとに、対応づけを決定する。ここでは、ふたつの時刻におけるクラスタを対応づけたが、予想部５２は、複数の時刻におけるクラスタを対応づけてもよい。その際、領域の重複は、例えば、隣接時刻間において考慮される。予想部５２は、遅延時間の変化から将来的な遅延時間を予想する。予想には、例えば、外挿補間が使用される。また、将来的な到来方向、将来的な角度広がりも、同様に予想される。なお、これらの推定は、クラスタ１４単位になされる。
【００３７】
推定部５６は、予想部５２において予想した将来的な到来方向と将来的な角度広がりとをもとにチャネル行列をクラスタ１４単位に導出する。また、その際に、推定部５６は、割合導出部５４からの直接波であるか否かに関する情報、Ｋファクターも使用する。第ｉクラスタ１４ｉに対するチャネル行列は、次のように示される。
【数１０】
【００３８】
ここで、Ｐは、受信信号強度である。また、右辺の１項目が直接波に関する項、右辺の２項目が反射波に関する項である。なお、割合導出部５４において、該当する無線パスが遅延波である場合、１項目は無視される。反射波に関する項は、次のように示される。
【数１１】
［Ｈｉｉｄ］は、各要素が独立で各行各列が無相関な行列を示す。また、ＲｒｘとＲｔｘは、次のように示される。
【００３９】
【数１２】
ここで、Ｄは、アンテナ１２の間隔を示す。一方、反射波に関する項におけるＳは、次のように示される。
【数１３】
ここで、ＡｏＡは、直接波の到来角であり、ＡｏＤは、直接波の出射角であり、前述のφをもとに決定される。また、ＮＴＸ、ＮＲＸは、図示しない第１無線装置１０ａのアンテナ素子数、アンテナ１２の素子数をそれぞれ示し、ｄはアンテナ１２の間隔を示す。また、λは波長である。
【００４０】
推定部５６は、クラスタ１４単位に導出したチャネル行列を、当該クラスタ１４に対応した将来的な遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルｙ（ｔ）を導出する。ここで、将来的な受信信号ベクトルｙ（ｔ）は、次のように示される。
【数１４】
推定部５６は、将来的な受信信号ベクトルｙ（ｔ）を送信ウエイトベクトル計算部５８へ出力する。
【００４１】
送信ウエイトベクトル計算部５８は、推定部５６において導出した将来的な受信信号ベクトルをもとに、複数のアンテナ１２に対する送信ウエイトベクトルを導出する。例えば、送信ウエイトベクトル計算部５８は、将来的な受信信号ベクトルｙ（ｔ）の共分散行列ＲＴＸを以下のように導出する。
【数１５】
その後、送信ウエイトベクトル計算部５８は、共分散行列を固有値分解することによって、送信ウエイトベクトルを導出する。さらに、送信ウエイトベクトル計算部５８は、送信ウエイトベクトルを送信処理部４４へ出力する。
【００４２】
送信処理部４４は、処理部２２における動作のうち、送信動作に対応する部分を実行する。具体的に説明すると、送信処理部４４は、図示しない変復調部２４からベースバンド信号を受けつけるとともに、送信ウエイトベクトル計算部５８から送信ウエイトベクトルも受けつける。また、受信処理部４０は、アンテナ１２ごとに、送信ウエイトベクトルによってベースバンド信号を重みづける。さらに、送信処理部４４は、重みづけたベースバンド信号を各ＲＦ部２０へ出力する。
【００４３】
以上の構成による通信システム１００の動作を説明する。図５は、ウエイト導出部４２における送信ウエイトベクトルの導出手順を示すフローチャートである。時間追跡部４８は、受信信号ベクトルの時間共分散行列を導出する（Ｓ１０）。時間追跡部４８は、クラスタ１４を特定するとともに、クラスタ１４単位の遅延時間を導出する（Ｓ１２）。方向追跡部５０は、時間フィルタリングによって、受信信号ベクトルをクラスタ１４単位の成分に分離する（Ｓ１４）。方向追跡部５０は、成分単位に積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、クラスタ１４単位に到来方向と角度広がりとを導出する（Ｓ１６）。
【００４４】
割合導出部５４は、クラスタ１４単位に、直接波であるかを特定するとともに、Ｋファクターを導出する（Ｓ１８）。予想部５２は、クラスタ１４単位に、将来的な遅延時間、到来方向、角度広がりを推定する（Ｓ２０）。推定部５６は、クラスタ１４単位にチャネル行列を導出する（Ｓ２２）。また、推定部５６は、チャネル行列を合成することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出する（Ｓ２４）。送信ウエイトベクトル計算部５８は、送信ウエイトベクトルを計算する（Ｓ２６）。
【００４５】
本発明の実施例によれば、受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離した後に、複数のパラメータを考慮してクラスタの移動を推定するので、推定精度を向上できる。また、推定されたクラスタの移動先をもとに、送信ウエイトベクトルを導出するので、送信ウエイトベクトルの推定精度を向上できる。また、送信ウエイトベクトルの推定精度が向上されるので、通信品質を向上できる。また、一部分が重なったクラスタ同士を同一のクラスタとして対応づけるので、対応づけを容易に実行できる。
【００４６】
以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４７】
本発明の実施例において、推定部５６は、直接波に関する項と反射波に関する項とを含む形でチャネル行列を規定し、割合導出部５４からの入力をもとに、直接波に関する項を除外するか否かを決定する。しかしながらこれに限らず例えば、推定部５６は、反射波に関する項によってチャネル行列を規定してもよい。その際、割合導出部５４は、Ｋファクターのみを決定し、推定部５６に出力する。本変形例によれば、割合導出部５４、推定部５６における処理を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例に係る通信システムの構成を示す図である。
【図２】図１の第２無線装置の構成を示す図である。
【図３】図２の処理部の構成を示す図である。
【図４】図４（ａ）−（ｃ）は、図３のウエイト導出部の処理を説明する図である。
【図５】図３のウエイト導出部における送信ウエイトベクトルの導出手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 無線装置、 １２ アンテナ、 １４ クラスタ、 ２０ ＲＦ部、 ２２ 処理部、 ２４ 変復調部、 ２６ ＩＦ部、 ２８ 制御部、 ４０ 受信処理部、 ４２ ウエイト導出部、 ４４ 送信処理部、 ４６ 受信ウエイトベクトル計算部、 ４８ 時間追跡部、 ５０ 方向追跡部、 ５２ 予想部、 ５４ 割合導出部、 ５６ 推定部、 ５８ 送信ウエイトベクトル計算部、 １００ 通信システム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナから受信信号ベクトルを受けつける入力部と、
前記入力部において受けつけた受信信号ベクトルから時間共分散行列を導出する手段と、時間共分散行列を固有値分解することによって、固有ベクトルを導出する手段と、受信信号ベクトルの発信源となる複数のクラスタを想定した場合に、固有ベクトルをもとに、複数のクラスタのそれぞれとの間の遅延時間を導出する手段とを含む時間追跡部と、
前記時間追跡部において導出した遅延時間をもとに、前記入力部において受けつけた受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離する手段と、分離した成分のそれぞれに対して積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、分離した成分の到来方向と角度広がりとをクラスタ単位に導出する手段とを含む方向追跡部と、
前記方向追跡部において導出した到来方向と角度広がりと、前記時間追跡部において導出した遅延時間とをもとに、将来的な到来方向、将来的な角度広がり、将来的な遅延時間をクラスタ単位に予想する予想部と、
前記予想部において予想した将来的な到来方向と将来的な角度広がりとをもとにチャネル行列をクラスタ単位に導出する手段と、クラスタ単位に導出したチャネル行列を、当該クラスタに対応した将来的な遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出する手段とを含む推定部と、
前記推定部において導出した将来的な受信信号ベクトルをもとに、複数のアンテナに対するウエイトベクトルを導出するウエイト計算部と、
を備えることを特徴とする無線装置。
【請求項２】
前記予想部は、過去に導出された到来方向、角度広がり、遅延時間に対する複数のクラスタと、新たに導出された到来方向、角度広がり、遅延時間に対する複数のクラスタとの間において、少なくとも一部分が重なったクラスタ同士を同一のクラスタとして対応づける手段と、対応づけたクラスタでの過去に導出された到来方向、角度広がり、遅延時間と、新たに導出された到来方向、角度広がり、遅延時間とをもとに、将来的な到来方向、将来的な角度広がり、将来的な遅延時間をクラスタ単位に予想することを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
【請求項３】
前記方向追跡部において導出した到来方向をもとに、クラスタ単位に分離した成分のそれぞれにおいて、直接波が含まれる割合を導出する割合導出部をさらに備え、
前記推定部は、前記割合導出部において導出した割合を反映しながら、チャネル行列をクラスタ単位に導出することを特徴とする請求項１または２に記載の無線装置。
【請求項４】
複数のアンテナから受けつけた受信信号ベクトルをもとに、時間共分散行列を導出し、時間共分散行列を固有値分解することによって、固有ベクトルを導出するステップと、
受信信号ベクトルの発信源となる複数のクラスタを想定した場合に、固有ベクトルをもとに、複数のクラスタのそれぞれとの間の遅延時間を導出するステップと、
導出した遅延時間をもとに、受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離し、分離した成分のそれぞれに対して積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、分離した成分の到来方向と角度広がりとをクラスタ単位に導出するステップと、
導出した到来方向、角度広がり、遅延時間とをもとに、将来的な到来方向、将来的な角度広がり、将来的な遅延時間をクラスタ単位に予想するステップと、
予想した将来的な到来方向と将来的な角度広がりとをもとにチャネル行列をクラスタ単位に導出し、クラスタ単位に導出したチャネル行列を、当該クラスタに対応した遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出するステップと、
導出した将来的な受信信号ベクトルをもとに、複数のアンテナに対するウエイトベクトルを導出するステップと、
を備えることを特徴とする通信方法。
【請求項１】
複数のアンテナから受信信号ベクトルを受けつける入力部と、
前記入力部において受けつけた受信信号ベクトルから時間共分散行列を導出する手段と、時間共分散行列を固有値分解することによって、固有ベクトルを導出する手段と、受信信号ベクトルの発信源となる複数のクラスタを想定した場合に、固有ベクトルをもとに、複数のクラスタのそれぞれとの間の遅延時間を導出する手段とを含む時間追跡部と、
前記時間追跡部において導出した遅延時間をもとに、前記入力部において受けつけた受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離する手段と、分離した成分のそれぞれに対して積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、分離した成分の到来方向と角度広がりとをクラスタ単位に導出する手段とを含む方向追跡部と、
前記方向追跡部において導出した到来方向と角度広がりと、前記時間追跡部において導出した遅延時間とをもとに、将来的な到来方向、将来的な角度広がり、将来的な遅延時間をクラスタ単位に予想する予想部と、
前記予想部において予想した将来的な到来方向と将来的な角度広がりとをもとにチャネル行列をクラスタ単位に導出する手段と、クラスタ単位に導出したチャネル行列を、当該クラスタに対応した将来的な遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出する手段とを含む推定部と、
前記推定部において導出した将来的な受信信号ベクトルをもとに、複数のアンテナに対するウエイトベクトルを導出するウエイト計算部と、
を備えることを特徴とする無線装置。
【請求項２】
前記予想部は、過去に導出された到来方向、角度広がり、遅延時間に対する複数のクラスタと、新たに導出された到来方向、角度広がり、遅延時間に対する複数のクラスタとの間において、少なくとも一部分が重なったクラスタ同士を同一のクラスタとして対応づける手段と、対応づけたクラスタでの過去に導出された到来方向、角度広がり、遅延時間と、新たに導出された到来方向、角度広がり、遅延時間とをもとに、将来的な到来方向、将来的な角度広がり、将来的な遅延時間をクラスタ単位に予想することを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
【請求項３】
前記方向追跡部において導出した到来方向をもとに、クラスタ単位に分離した成分のそれぞれにおいて、直接波が含まれる割合を導出する割合導出部をさらに備え、
前記推定部は、前記割合導出部において導出した割合を反映しながら、チャネル行列をクラスタ単位に導出することを特徴とする請求項１または２に記載の無線装置。
【請求項４】
複数のアンテナから受けつけた受信信号ベクトルをもとに、時間共分散行列を導出し、時間共分散行列を固有値分解することによって、固有ベクトルを導出するステップと、
受信信号ベクトルの発信源となる複数のクラスタを想定した場合に、固有ベクトルをもとに、複数のクラスタのそれぞれとの間の遅延時間を導出するステップと、
導出した遅延時間をもとに、受信信号ベクトルをクラスタ単位の成分に分離し、分離した成分のそれぞれに対して積分型ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、分離した成分の到来方向と角度広がりとをクラスタ単位に導出するステップと、
導出した到来方向、角度広がり、遅延時間とをもとに、将来的な到来方向、将来的な角度広がり、将来的な遅延時間をクラスタ単位に予想するステップと、
予想した将来的な到来方向と将来的な角度広がりとをもとにチャネル行列をクラスタ単位に導出し、クラスタ単位に導出したチャネル行列を、当該クラスタに対応した遅延時間を反映しながら積算することによって、将来的な受信信号ベクトルを導出するステップと、
導出した将来的な受信信号ベクトルをもとに、複数のアンテナに対するウエイトベクトルを導出するステップと、
を備えることを特徴とする通信方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１７１１５９（Ｐ２００９−１７１１５９Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６２５６（Ｐ２００８−６２５６）
【出願日】平成２０年１月１５日（２００８．１．１５）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１５日（２００８．１．１５）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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