JP4426356B2

JP4426356B2 - 無線装置及びビームパターン制御方法

Info

Publication number: JP4426356B2
Application number: JP2004098276A
Authority: JP
Inventors: 良晃天野; 隆井上
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005286722A

Description

本発明は、無線装置及びビームパターン制御方法に関する。

一般に無線通信システムでは、送信局と受信局間の距離が一様でないために、ＱＰＳＫなどの変調方式により複素平面に配置された送信信号は、受信局では位相回転をともなって受信される。特に、移動通信システムでは、マルチパスフェージングにより著しく位相回転量が変化する。これを解消するために移動通信システムでは、一般的に、基地局から移動局に向けて在圏検出用に既知信号を放送形式で送信するためのパイロットチャネルを利用して、移動局がデータチャネルの受信同期処理を行う。

図４は、パイロットチャネルを用いた受信同期処理の原理を説明するための図である。図４において、基地局はパイロットチャネルで既知信号（実部のみ）を送信する。また、データチャネルで送信データ（複素数）を送信する。これら送信信号は無線伝搬路上でフェージングによる位相回転αを受けて移動局で受信される。移動局では、パイロットチャネルで送信される既知信号と、パイロットチャネルの受信信号（位相回転αを受けた既知信号）とから、位相回転αを複素平面上で算出する。そして、この位相回転αの複素共役数を求めてデータチャネルの受信信号（位相回転αを受けた送信データ）に乗ずる。これにより、データチャネルの受信信号に対して位相回転αの補正が行われ、この補正後の受信信号を復調して受信データを精度よく取得することができる。

また、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ることにより適応的にビームパターンを制御するビーム制御技術が知られている。このビーム制御技術では、各アンテナ素子に入出力される信号に対して、それぞれの振幅及び位相を調整するアレー重みと呼ばれる係数を乗じることにより、任意のビームパターンを形成することができる。そして、そのビーム制御技術により、所望局方向には高利得のビームを形成し、且つ非所望局方向にはヌルを形成するようにビームパターンを適応的に制御して、各移動局に対してそれぞれ直交したビームパターンを形成することができる。これにより、時間及び周波数とは独立した空間（ビームパターン）を用いた多元接続（空間分割多元接続（ＳＤＭＡ；Space Division Multiple Access））が可能となる。

移動通信システムにおいて、上記したビーム制御技術により送信ビームパターンを適応的に制御する場合、一般的に上記したデータチャネルには適用されるが、パイロットチャネルには適用されない。この理由は、データチャネルが各移動局に個別のチャネルであり各移動局に個別の送信ビームパターンを形成することによりデータチャネルのＳＤＭＡを行うことができるのに対し、パイロットチャネルが全移動局に共通のチャネルであり各移動局に個別の送信ビームパターンを形成する必要がないからである。そのパイロットチャネルには一様な指向性を有する送信ビームパターン、例えばオムニパターンやセクタパターンが適用される。このため、パイロットチャネルとデータチャネルとでは、送信ビームパターンを形成するための送信アレー重みが異なる。この結果、パイロットチャネルとデータチャネルとではそれぞれの送信ビームパターンの位相量特性が異なることとなるために、上記した移動局の受信同期処理に問題が生じる。すなわち、パイロットチャネルとデータチャネルとでは位相回転量が異なるので、パイロットチャネルの受信信号の位相回転に基づいてデータチャネルの受信信号を補正しても、正しい補正を行うことができない。これにより、受信信号の復調が正常に行われず受信データが誤る等の不具合が生じる。

この問題を解決するために従来は、全移動局に共通のパイロットチャネルとは別に、各移動局に個別のパイロットチャネルを設ける。そして、この個別パイロットチャネルの送信用にはデータチャネルと同じ送信アレー重みを用いた送信ビームパターンを形成し、データチャネルとは異なる周波数でデータチャネルと同時送信している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３１４４８１号公報

しかし、上述した従来の技術では、新たに個別パイロットチャネルを設けるので、移動局の仕様を変更する必要があり、既存の移動局用端末が使用できなくなるという問題がある。また、新規移動局用の端末を開発する負担も大きい。さらに、個別パイロットチャネル用の周波数が必要となるので、周波数の利用効率が低下する。このような理由から、上記した従来の技術のように個別パイロットチャネルを新たに設けることなく、また、既存の移動局用端末を流用することができ、周波数利用効率の低下を招くことがない新たな解決手段が要望されている。

図５は、パイロットチャネルとデータチャネルの送信ビームパターンの違いによる従来の影響を説明するための図である。図５において、全移動局に共通のパイロットチャネルの送信用にはオムニパターンが形成され、各移動局に個別のデータチャネルの送信用には適応制御による送信ビームパターン（適応ビームパターン）が形成される。図５に示されるように、オムニパターンの位相量特性は放射方向によらず一様であるが、適応ビームパターンの位相量特性は放射方向により変動する。更に、オムニパターンと適応ビームパターンとでは移動局方向の位相量が異なっており、つまりパイロットチャネルとデータチャネルとでは送信ビームパターンの初期位相が異なる。この初期位相の違いが、移動局の受信同期処理における補正のずれの要因となっている。従って、パイロットチャネルとデータチャネルとで送信ビームパターンの初期位相を合わせることができれば、その補正のずれを解消することができ、移動局の受信同期処理が精度よく行われることになる。

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、適応ビームパターンにより送信するチャネル（例えばデータチャネル）と、該適応ビームパターンとは異なるビームパターン（例えばオムニパターン）により送信するチャネル（例えばパイロットチャネル）とで、各々の送信ビームパターンの初期位相を合わせることができる無線装置及びビームパターン制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る無線装置は、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、前記アレーアンテナの第１の送信ビームパターンを形成するための、前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成る第１の送信アレー重みベクトルを受信局毎に適応的に算出する第１の送信アレー重み算出手段と、前記アレーアンテナの第２の送信ビームパターンを形成するための、前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成る第２の送信アレー重みベクトルを算出する第２の送信アレー重み算出手段と、前記アレーアンテナの各アンテナ素子単体の放射特性測定データをベクトル化したものであってアンテナ素子間の相対振幅及び相対位相の情報を含み前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成るステアリングベクトルを、放射方向毎に、予め記憶する放射特性記憶手段と、受信局の方向を推定する受信局方向推定手段と、前記推定された受信局方向のステアリングベクトルを前記放射特性記憶手段から取得し、該取得したステアリングベクトルと前記第１の送信アレー重みベクトルとのベクトル積を行い、このベクトル積により得られた複素スカラー値の位相成分（第１の初期位相）を抽出し、また、該同じステアリングベクトルと前記第２の送信アレー重みベクトルとのベクトル積を行い、このベクトル積により得られた複素スカラー値の位相成分（第２の初期位相）を抽出し、前記第１の初期位相と前記第２の初期位相との差分位相量を算出し、前記第１の送信アレー重みベクトルの位相成分を該差分位相量だけ位相回転させる初期位相補正手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明に係るビームパターン制御方法は、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アンテナ素子単体の放射特性測定データをベクトル化したものであってアンテナ素子間の相対振幅及び相対位相の情報を含み前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成るステアリングベクトルを、放射方向毎に、予め記憶する記憶手段とを備えた無線装置におけるビームパターン制御方法であって、前記アレーアンテナの第１の送信ビームパターンを形成するための、前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成る第１の送信アレー重みベクトルを受信局毎に適応的に算出する過程と、前記アレーアンテナの第２の送信ビームパターンを形成するための、前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成る第２の送信アレー重みベクトルを算出する過程と、受信局の方向を推定する過程と、前記推定された受信局方向のステアリングベクトルを前記記憶手段から取得する過程と、該取得したステアリングベクトルと前記第１の送信アレー重みベクトルとのベクトル積を行い、このベクトル積により得られた複素スカラー値の位相成分（第１の初期位相）を抽出する過程と、該同じステアリングベクトルと前記第２の送信アレー重みベクトルとのベクトル積を行い、このベクトル積により得られた複素スカラー値の位相成分（第２の初期位相）を抽出する過程と、前記第１の初期位相と前記第２の初期位相との差分位相量を算出する過程と、前記第１の送信アレー重みベクトルの位相成分を該差分位相量だけ位相回転させる過程と、を含むことを特徴としている。

本発明によれば、適応制御による第１の送信ビームパターンと第２の送信ビームパターンの各々の初期位相のずれが補正されるので、例えば、データチャネル用とパイロットチャネル用の各々の送信ビームパターンの初期位相を合わせることができる。これにより、移動局において、パイロットチャネルの受信信号の位相回転に基づいてデータチャネルの受信信号を正しく補正することが可能となり、移動局の受信同期処理を精度よく行うことができるという優れた効果が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る無線装置の構成を示すブロック図である。本実施形態では移動通信システムの基地局用無線装置を例に挙げて説明する。
図１において、アレーアンテナ１は複数のアンテナ素子１ａから構成される。ＲＦ部２は、各アンテナ素子１ａを介してＲＦ帯の無線信号の送信及び受信を行う。ＲＦ部２は、各アンテナ素子１ａのＲＦ帯受信信号をそれぞれベースバンド信号への変換及びデジタル化後に適応制御部３へ出力する。また、適応制御部３から各アンテナ素子１ａのベースバンド送信信号を受け取り、それぞれＲＦ帯信号への変換及びアナログ化後に、各アンテナ素子１ａから無線送信する。

適応制御部３は、アレーアンテナ１のビームパターンを適応的に制御し、移動局毎に適応受信及び適応送信を行う。適応受信では、移動局ごとに適応制御して受信ビームパターンを形成し、移動局個別のデータチャネルの受信を行う。この受信データは受信チャネル処理部４へ出力されて処理される。

また、適応送信では、移動局ごとに適応制御して送信ビームパターンを形成し、移動局個別のデータチャネルの送信を行う。このデータチャネルの送信データは送信チャネル処理部５から入力される。また、適応制御部３は、パイロットチャネル用の送信ビームパターンを形成し、移動局共通のパイロットチャネルの送信を行う。このパイロットチャネルの送信データは送信チャネル処理部５から入力される。

なお、上記適応制御部３は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、この適応制御部３はメモリおよびＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）などの演算処理装置により構成され、適応制御部３の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。

図２は、図１の適応制御部３に具備される送信機能に係る構成を示すブロック図である。
図２おいて、パイロットチャネル用送信アレー重み算出部１１は、パイロットチャネル用の送信ビームパターンを形成するための送信アレー重みベクトルＷｐを算出する。送信アレー重みベクトルＷｐは、アンテナ素子１ａの各々に対応する要素、つまりアンテナ素子１ａの個数分の要素からなる。
なお、パイロットチャネル用の送信ビームパターンとして、一様な指向性を有する送信ビームパターン、例えばオムニパターンやセクタパターンを用いる場合には、予め定まった送信アレー重みベクトルＷｐ（固定値）が記憶されたメモリを備えるようにしてもよい。

データチャネル用送信アレー重み算出部１２は、データチャネル用の送信ビームパターンを形成するための送信アレー重みベクトルＷｄを移動局毎に適応的に算出する。送信アレー重みベクトルＷｄは、アンテナ素子１ａの各々に対応する要素、つまりアンテナ素子１ａの個数分の要素からなる。

移動局方向推定部１３は、移動局の位置する方向を推定し、この方向推定値φを送信アレー重み位相量補正部１５へ出力する。例えば、適応受信で形成された受信ビームパターンに基づいて当該移動局の位置する方向を求める。

アレーアンテナ素子放射特性データ記憶部１４は、放射方向毎に、アレーアンテナ１の放射特性データＡを予め記憶している。この放射特性データＡは、各アンテナ素子１ａ単体の放射特性データをベクトル化したもの（ステアリングベクトル）であり、アンテナ素子１ａの各々に対応する要素、つまりアンテナ素子１ａの個数分の要素からなる。そして、該放射特性データＡは、アンテナ素子間の相対振幅及び相対位相の情報を含んでいる。
なお、アンテナ素子１ａ単体の放射特性データには、実測データやシミュレーションデータを使用する。例えば、実際にアレーアンテナ１として組み立てられた状態で、ＲＦ帯の送信周波数を用いて測定されたデータを使用する。或いは、この測定条件と同等のシミュレーション条件によりシミュレーションされたデータを使用する。

送信アレー重み位相量補正部１５は、パイロットチャネル用の送信ビームパターンとデータチャネル用の送信ビームパターンの各々の初期位相が等しくなるように、データチャネル用の送信ビームパターンを形成するための送信アレー重みベクトルＷｄを補正する。この補正後の送信アレー重みベクトルＷｄ’は送信ビーム形成部１６へ出力される。

送信ビーム形成部１６は、その送信アレー重みベクトルＷｄ’とデータチャネルデータとを乗算器１７により乗算し、乗算結果のデータチャネル送信信号をＲＦ部２へ出力する。これにより、アレーアンテナ１のデータチャネル用の送信ビームパターンが形成される。また、パイロットチャネル用の送信アレー重みベクトルＷｐとパイロットチャネルデータとを乗算器１７により乗算し、乗算結果のパイロットチャネル送信信号をＲＦ部２へ出力する。これにより、アレーアンテナ１のパイロットチャネル用の送信ビームパターンが形成される。

次に、図３を参照して、上記図２の送信アレー重み位相量補正部１５の動作を説明する。図３は、図２に示す送信アレー重み位相量補正部１５の処理フロー図である。
図３において、先ず、送信アレー重み位相量補正部１５は、データチャネル送信対象である所望局の方向推定値φに対応する放射方向の放射特性データＡ（ステアリングベクトル）を、アレーアンテナ素子放射特性データ記憶部１４から取得する（ステップＳ１）。

次いで、その取得したステアリングベクトルと所望局に係る各送信アレー重みベクトルＷｐ、Ｗｄとから、各チャネル用の各々の送信ビームパターンの初期位相を算出する（ステップＳ２）。この初期位相算出処理では、送信アレー重みベクトルＷｐとステアリングベクトルとのベクトル積を行い、この結果として得られた複素スカラー値の位相成分を抽出する。この位相成分はパイロットチャネル用の送信ビームパターンの初期位相を表す。同様に、送信アレー重みベクトルＷｄとステアリングベクトルとのベクトル積を行い、この結果として得られた複素スカラー値の位相成分を抽出する。この位相成分はデータチャネル用の送信ビームパターンの初期位相を表す。

次いで、それら位相成分の差を計算することにより、各初期位相の差分位相量を算出する（ステップＳ３）。次いで、その差分位相量だけ、送信アレー重みベクトルＷｄの位相成分を位相回転させる（ステップＳ４）。この位相回転処理では、送信アレー重みベクトルＷｄの全要素、すなわちアンテナ素子１ａの各々に対応する全要素の位相成分を差分位相量だけずらす。これにより、データチャネル用とパイロットチャネル用とで、各々の送信ビームパターンの初期位相が等しくなる。なお、該位相回転処理を行っても送信アレー重みベクトルＷｄの各要素間の相対位相及び相対振幅は変化しないので、所望のデータチャネル用の送信ビームパターンが得られる。

上述したように本実施形態によれば、パイロットチャネル用の送信ビームパターンとデータチャネル用の送信ビームパターンの各々の初期位相のずれが補正されるので、移動局において、パイロットチャネルの受信信号の位相回転に基づいてデータチャネルの受信信号を正しく補正することが可能となり、移動局の受信同期処理を精度よく行うことができる。

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。
例えば、本発明は、パイロットチャネル用の送信ビームパターンを移動局毎に形成する場合にも同様に適用することができる。また、送信ビームパターンの初期振幅を補正する場合にも同様に適用することができる。
また、本発明は、アレーアンテナを備えた各種の無線装置に適用することができる。

本発明の一実施形態に係る無線装置の構成を示すブロック図である。図１の適応制御部３に具備される送信機能に係る構成を示すブロック図である。図２に示す送信アレー重み位相量補正部１５の処理フロー図である。パイロットチャネルを用いた受信同期処理の原理を説明するための図である。パイロットチャネルとデータチャネルの送信ビームパターンの違いによる従来の影響を説明するための図である。

符号の説明

１…アレーアンテナ、１ａ…アンテナ素子、２…ＲＦ部、３…適応制御部、４…受信チャネル処理部、５…送信チャネル処理部、１１…パイロットチャネル用送信アレー重み算出部、１２…データチャネル用送信アレー重み算出部、１３…移動局方向推定部、１４…アレーアンテナ素子放射特性データ記憶部、１５…送信アレー重み位相量補正部、１６…送信ビーム形成部。

Claims

複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの第１の送信ビームパターンを形成するための、前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成る第１の送信アレー重みベクトルを受信局毎に適応的に算出する第１の送信アレー重み算出手段と、
前記アレーアンテナの第２の送信ビームパターンを形成するための、前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成る第２の送信アレー重みベクトルを算出する第２の送信アレー重み算出手段と、
前記アレーアンテナの各アンテナ素子単体の放射特性測定データをベクトル化したものであってアンテナ素子間の相対振幅及び相対位相の情報を含み前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成るステアリングベクトルを、放射方向毎に、予め記憶する放射特性記憶手段と、
受信局の方向を推定する受信局方向推定手段と、
前記推定された受信局方向のステアリングベクトルを前記放射特性記憶手段から取得し、該取得したステアリングベクトルと前記第１の送信アレー重みベクトルとのベクトル積を行い、このベクトル積により得られた複素スカラー値の位相成分（第１の初期位相）を抽出し、また、該同じステアリングベクトルと前記第２の送信アレー重みベクトルとのベクトル積を行い、このベクトル積により得られた複素スカラー値の位相成分（第２の初期位相）を抽出し、前記第１の初期位相と前記第２の初期位相との差分位相量を算出し、前記第１の送信アレー重みベクトルの位相成分を該差分位相量だけ位相回転させる初期位相補正手段と、
を備えたことを特徴とする無線装置。
複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アンテナ素子単体の放射特性測定データをベクトル化したものであってアンテナ素子間の相対振幅及び相対位相の情報を含み前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成るステアリングベクトルを、放射方向毎に、予め記憶する記憶手段とを備えた無線装置におけるビームパターン制御方法であって、
前記アレーアンテナの第１の送信ビームパターンを形成するための、前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成る第１の送信アレー重みベクトルを受信局毎に適応的に算出する過程と、
前記アレーアンテナの第２の送信ビームパターンを形成するための、前記アンテナ素子の各々に対応する要素から成る第２の送信アレー重みベクトルを算出する過程と、
受信局の方向を推定する過程と、
前記推定された受信局方向のステアリングベクトルを前記記憶手段から取得する過程と、
該取得したステアリングベクトルと前記第１の送信アレー重みベクトルとのベクトル積を行い、このベクトル積により得られた複素スカラー値の位相成分（第１の初期位相）を抽出する過程と、
該同じステアリングベクトルと前記第２の送信アレー重みベクトルとのベクトル積を行い、このベクトル積により得られた複素スカラー値の位相成分（第２の初期位相）を抽出する過程と、
前記第１の初期位相と前記第２の初期位相との差分位相量を算出する過程と、
前記第１の送信アレー重みベクトルの位相成分を該差分位相量だけ位相回転させる過程と、
を含むことを特徴とするビームパターン制御方法。