JP4119719B2 - Mobile station direction estimation method and apparatus - Google Patents

Description

但し、Ａ，Ｆ(t)，Ｎ(t)はそれぞれ次式に示すように、各素波であるパスの方向行列、各パスの複素振幅ベクトル、雑音ベクトルを表している。
【数２】

ここで、Ｆ_q(t)，θ_qはそれぞれ第ｑ番目のパスの複素振幅と到来方向を表し、λは波長、ｄ_kは基準点から各素子位置までの距離を表している。
【０００４】
このときの相関行列は次式で表される。
【数３】

ここで、Ｓ＝Ｅ[Ｆ(t)Ｆ^H(t)]であり、σ²は雑音電力である。ただし、Ｅ[ ]はアンサンブル平均を示す。
【０００５】
今、相関行列Ｒ_xxの固有値をλ_k（k=1,2,...,K）、それに対応する固有ベクトルをｅ_k（k=1,2,...,K）と置くと、それらの間には次式の関係が成り立つ。
【数４】

【０００６】
ここで、雑音電力σ²に等しい固有値の数を（Ｋ−Ｑ）とすると、次式の関係が成立する。
【数５】

また、雑音電力σ²に等しい固有値［λ_Q+1,...,λ_K］に対応する固有ベクトルを、
【数６】

とおくと、MUSICスペクトラムは良く知られている次式で表される。
【数７】

【０００７】
ここで、各パスが同一の信号であり、互いに相関があるコヒーレント波である場合には、空間平均法であるFoward-Backward（Ｆ／Ｂ）法を用いて、各パスの相互相関を抑圧する。具体的には、Ｋ本のアレーアンテナから素子数Ｍ本のサブアレーを１個ずつ素子をずらしながら（Ｋ−Ｍ＋１）個取り出し、各サブアレーの相関行列（部分相関行列）を足し合わせて、相関行列を計算すればよい。
【０００８】
このようなMUSICアルゴリズムを用い、次のように移動局の方向を推定する。
まず、前記式(6)より相関行列Ｒ_xxの固有値を求め、雑音電力σ²より大きい固有値の数から到来波数Ｑを推定する。到来波数の推定法として、例えば、ＡＩＣ（Akaike Information Creteria）を用いる。次に、雑音電力に相当する固有値、及びそれに対応する固有ベクトルを求めて、式(10)によりMUSICスペクトラムを計算する。
図８の（ｂ）に、このようにして算出されたMUSICスペクトラムの一例を示す。そして、このMUSICスペクトラムから大きさが大きい順にＱ個のピーク値を探索して、電波の到来方向｛θ₁,...,θ_Q｝を決定する。
ここで、電波の到来方向が複数あるため、移動局の方向を一意に決定することはできない。そこで、推定したＱ個のパスの受信電力をそれぞれ求め、受信電力の最も大きいパスが最短経路を経たパスであることに期待して、受信電力が最大となるパスの方向を移動局の方向と決定していた（本願発明者による非特許文献２を参照されたい。）。
各パスの受信電力は、到来方向｛θ₁,...,θ_Q｝に対して次式に示すように逆行列演算を行い、その相関行列Ｓの対角成分から求めることができる。
【数８】

【０００９】
【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」科学技術出版、1998年11月25日、p.191-268
【非特許文献２】
表英毅，藤井輝也、「広帯域移動体通信における移動端末位置検出法の検討−移動局方向の推定精度−」，信学技報，AP2002-37(2002-6)，pp.17-22
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、MUSICアルゴリズムにより推定した複数の到来方向の中から移動局の方向を推定する場合、各到来方向の受信電力を計算し、受信電力が最大である到来方向を移動局の方向と決定していた。なお、MUSICスペクトラムのピークの大きさと受信電力の大きさとは一致しない。
しかしながら、MUSIC等においてある一定の角度（Δθ）の範囲内に集中して複数の到来方向（Ｎ個）があると推定された場合、実際の伝搬環境を考慮すると、図９の（ａ）に示すように、移動局から送信された複数の電波が近傍の建物で反射され基地局に到達している可能性が高い。
このような場合、移動局の方向は角度Δθの範囲の間にあるが、分解能が非常に高い場合は複数のピークが表れ、そのうちの一つを移動局の方向として選択した場合には、実際の移動局の方向と誤差が生じる可能性が高い。
図９の（ｂ）はこの様子を示す図である。図示する例１の場合は、角度Δθの範囲内に集中して複数の電波が到来しており、異なるアンテナ素子数で到来方向推定を行った場合にいずれの場合でも正しい移動局方向が得られているが、例２の場合は、アンテナ素子数が中程度（Ｋ＝１０）のときには、正しい移動局方向が得られていない。このように、ある一定の角度（Δθ）の範囲内に集中して複数の電波が到来している場合には、上述した方法により決定した移動局方向と実際の移動局方向の誤差は比較的大きいものであった。このため、実際の移動局の方向と、推定した方向には比較的大きな距離のずれが発生する。この距離のずれを可能な限り小さくすることが課題となり、換言すれば、実際の移動局方向と推定する移動局方向との誤差を可能な限り小さくすることが必要となる。
【００１１】
そこで本発明は、MUSIC等の超分解能到来方向推定技術を用いて電波の到来方向を推定し、移動局の位置を検出する場合に、所定の角度範囲Δθの間に複数の到来方向があると推定したとき、推定精度を向上させることができる移動局方向推定方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の移動局方向推定方法は、移動通信システムにおける基地局において移動局の方向を推定する方法であって、アレーアンテナを用いる超分解能到来方向推定技術により電波の到来角度を推定する第１のステップ、前記第１のステップの結果、所定の角度範囲内に複数の到来方向が検出されたかどうかを検出する第２のステップ、前記第２のステップにおいて所定の角度範囲内に複数の到来方向が検出された場合に、該所定の角度範囲内の複数の到来方向の中からその角度範囲内における最終的な一つの到来方向を決定する第３のステップ、及び、検出された前記所定の角度範囲外の到来方向及び前記第３のステップにより決定された到来方向それぞれの受信電力を算出し、最大の受信電力を有する到来方向を移動局の方向と決定する第４のステップを含むものである。
【００１３】
また、前記第３のステップは、前記所定の角度範囲内に検出された複数の到来方向を示す角度を、それぞれの受信電力で重み付けし、平均化して得られる角度の方向を前記所定の角度範囲内における最終的な一つの到来方向として決定するステップとされているものである。
【００１４】
さらに、本発明の移動局方向推定装置は、移動通信システムにおける移動局の方向を推定する装置であって、アレーアンテナと、前記アレーアンテナからの受信信号に基づき、超分解能到来方向推定技術により電波の到来方向を推定する到来方向推定部と、前記到来方向推定部により所定の角度範囲内に複数の到来方向が検出されたか否かを判定する所定角度範囲内ピーク検索部と、前記所定角度範囲内ピーク検索部及び前記到来方向推定部の検出結果に基づき、所定角度範囲内に検出された複数の到来方向の中からその角度範囲内における最終的な一つの到来方向を決定する所定角度範囲内の最終到来方向決定部と、前記所定の角度範囲外の到来方向と前記最終到来方向決定部において決定された到来方向のうち、最大の受信電力を有する到来方向を移動局方向と決定する移動局方向推定部とを有するものである。
【００１５】
さらにまた、前記最終到来方向決定部は、所定角度範囲内の複数の到来方向を示す角度をそれぞれの受信電力により重み付けし、平均化して得られる角度の方向を前記所定の角度範囲内における最終的な一つの到来方向と決定するものとされている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の移動局方向推定方法は、MUSIC アルゴリズム、Root-MUSICアルゴリズム、ESPRITアルゴリズムなどアレーアンテナを用いる各種の超分解能到来方向推定処理を行なう場合に適用することができるが、ここでは、MUSIC アルゴリズムを用いる場合を例にとって説明する。
まず、本発明の移動局方向推定方法の第１の参考実施の形態について説明する。
図１は本発明の移動局方向推定方法の第１の参考実施の形態が実行される移動局方向推定装置の要部構成を示すブロック図、図２は本発明の移動局方向推定方法の第１の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。
図１において、１は複数個（ここでは、Ｋ個）のアンテナ（＃１〜＃Ｋ）を有するアレーアンテナ、２は前記アレーアンテナ１に接続され、各アンテナの受信信号を出力する受信機、３は前記受信機２から出力される各アンテナの受信信号（受信ベクトルＸ（ｔ））を、前述したＭＵＳＩＣなどの超分解能到来方向推定技術により解析して、到来方向を推定する到来方向推定部、４は、前記到来方向推定部３による到来方向推定結果において、各到来方向に対して相互に所定の角度（Δθ）の範囲内にピークが存在するか否かを検索する所定角度範囲内ピーク検索部（Δθ内ピーク検索部）、５は前記ピーク検索部において角度Δθ内に複数のピークが存在している場合に、そのうちの一つのピークをその角度範囲内における最終的な一つの到来方向（角度θ_f ）として決定する所定角度内最終到来方向決定部（θ_f 決定部）、６は前記所定の角度（Δθ）範囲外の到来方向及び前記最終到来方向決定部５で決定された到来方向（θ_f ）の受信電力を計算する受信電力計算部、７は、前記受信電力計算部６の計算結果に基づいて移動局の方向を決定する移動局方向推定部である。
【００１７】
このように構成された本発明の到来方向推定装置の第１の参考実施の形態における処理の流れについて、図２のフローチャートを参照して説明する。
処理が開始されると、前記到来方向推定部３において、前記受信機２から供給される前記各アンテナ素子（＃１〜＃Ｋ）の受信信号に対し、前述したMUSIC アルゴリズムを用いて解析処理が行われ、前記図８（ｂ）に示したようなMUSIC スペクトラムが計算される（ステップＳ１１）。ここでは、この結果Ｍ個のピークが計算されたものとする。
次に、前記Δθ内ピーク検索部４において、前記到来方向推定部３による計算結果に基づいて、各到来方向に対して相互に所定の角度（Δθ）内に存在するピークがあるか否かが判定される（ステップＳ１２）。ここで、所定の角度Δθの値は、個々の場合に応じて任意に決定することができ、例えば、１°〜５°程度の値としてもよい。
この判定の結果、所定の角度（Δθ）内に複数のピークが存在しないときは、前記受信電力計算部６において、前記式（１１）を用いて前記到来方向推定部３により検出された各到来方向の受信電力を計算し、前記移動局方向推定部７は、最大の受信電力を有する到来方向を移動局の方向であると決定する（ステップＳ２０）。
【００１８】
一方、前記ステップＳ１２の判定の結果、所定の角度Δθ内に複数のピークが存在しているときには、前記所定角度内最終到来方向決定部（θ_f決定部）５は、以下の処理を行う。
まず、検出されたピークを所定の領域に記憶して保存し（ステップＳ１３）、次に、前記受信機２から供給される受信信号のアンテナ数を一つ減少させて（ステップＳ１４）、前記到来方向推定部３に対して、前記複数のピークが存在する所定の角度ΔθにマージンΔφを加えた角度範囲、すなわち、当該ピークを含むΔθ±Δφの角度範囲についてMUSICアルゴリズムによる解析処理を行わせる（ステップＳ１５）。ここで、マージンΔφの値は、０°であってもよいし、Δθの値に応じた任意の値としても良く、例えば、０°〜１°程度としてもよい。また、解析処理を行うときに、前記Ｋ個のアンテナ素子のうち一方の端部に位置するアンテナ素子（＃１或いは＃Ｋ）のいずれかからの受信信号を演算に用いないようにして解析を行ってもよいし、あるいは、アンテナ素子（＃１又は＃Ｋ）のいずれかを用いずに再度信号を受信し、この受信信号を用いて解析処理を行うようにしてもよい。
そして、前記ステップＳ１５による解析処理の結果得られるピークの数を判定し（ステップＳ１６）、ピークが０となったとき（MUSICスペクトラムが演算した角度範囲内で単調減少あるいは単調増加となったとき）は、前記ステップＳ１３で保存した角度Δθ内に存在する複数のピークそれぞれの受信電力を計算し、最大の受信電力を有するピークを角度Δθの範囲内の到来方向θfと決定する（ステップＳ１７）。また、ピークの数が１つのときは、その１つのピークの方向をその角度Δθの範囲内の到来方向θ_fと決定する（ステップＳ１８）。一方、ピークの数が２以上のときは、前記ステップＳ１３に戻り、新たに得られたピークを当該角度範囲内のピークとして保存し、前記ステップＳ１４以下を繰り返し実行する。これにより、ステップＳ１７或いはステップＳ１８において、その角度Δθの範囲内の到来方向θ_fが決定される。
【００１９】
次に、前記θ_f決定部５の制御により決定された到来方向θ_fと角度Δθ外の到来方向のそれぞれの受信電力を前記受信電力計算部６にて計算し、前記移動局方向決定部７は、最大の受信電力を有する到来方向を移動局の方向であると決定する（ステップＳ１９）。
なお、前記受信電力計算部６は、前記角度Δθ外の到来方向についての受信電力の計算は、前記θ_f決定部５からの指示にかかわらず、先に実行するようにしてもよい。
【００２０】
このように、本発明の参考実施の形態に係る移動局方向推定方法及び装置によれば、ある一定の角度（Δθ）の範囲内に複数の方向から電波が到来すると推定した場合に、その範囲では到来方向は本来一つであると仮定して検出を行っているため、結果として移動局方向の推定精度を向上することができる。
【００２１】
上述した第１の参考実施の形態においては、前記ステップＳ１５の結果ピークの数が０又は１にならない場合、アンテナ素子数ＫがＫ＝２となるまで、処理が繰り返される。そこで、用いるアンテナ素子数の最小値を任意に決定することができるようにした本発明の第２の参考実施の形態について、図３のフローチャートを参照して説明する。なお、この参考実施の形態の装置構成は、前記図１と同様である。
図３と前記図２とを比較すると明らかなように、図３のステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２５，Ｓ２６，Ｓ２７，Ｓ２８，Ｓ２９，Ｓ３０及びＳ３１は、それぞれ、図２におけるステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１８，Ｓ１９及びＳ２０にそれぞれ対応しており、この実施の形態においては、ステップＳ２３の後に演算に用いたアンテナ素子数Ｋが予め設定した最小値Ｋ_min よりも大きいか否かを判定するステップＳ２４を設け、その時点での演算に用いたアンテナ素子数Ｋが最小値Ｋ_min となっていたら、アンテナ素子数Ｋを減少させることなく、ステップＳ２８に進んで、保存した該当ピークのうちの受信電力が最大のものをその角度Δθの範囲における最終的な一つの到来方向θ_f と決定するようにしている。
このように、演算に使用するアンテナ素子数の最小値を設定するようにしてもよい。
【００２２】
上述した第１及び第２の参考実施の形態は、アンテナ素子数を順次減少させてMUSIC アルゴリズムを繰り返し実行するものであった。次に、そのような繰り返しを行うことなく、所定の角度Δθの範囲内の到来方向を一つに決定する本発明の第１の実施の形態について説明する。
図４は、本発明のこの実施の形態の移動局方向推定方法が実行される移動局方向推定装置の構成を示すブロック図、図５は、この実施の形態の移動局方向推定方法の処理の流れを示すフローチャートである。
図４において、前記図１と同一の構成要素には、同一の番号を付す。図４と図１とを比較すると明らかなように、この実施の形態における所定角度内最終到来方向決定部（θ_f 決定部）８は、前記Δθ内ピーク検索部４と受信電力計算部６とに接続されており、到来方向推定部３とは接続されていない点で、前記図１の参考実施の形態と相違している。
【００２３】
このように構成された移動局方向推定装置における処理の流れについて、図５のフローチャートを参照して説明する。
前述した実施の形態と同様に、前記到来方向推定部３において、前記受信機２から供給される前記各アンテナ素子（＃１〜＃Ｋ）の受信信号に対し、前述したMUSICアルゴリズムを用いて解析処理が行われ、MUSICスペクトラムが計算される（ステップＳ４１）。
次に、前記Δθ内ピーク検索部４において、前記到来方向推定部３による計算結果に基づいて、各到来方向に対して相互に所定の角度（Δθ）内に存在するピークがあるか否かが判定される（ステップＳ４２）。
この判定の結果、所定の角度（Δθ）内に複数のピークが存在しないときは、前記受信電力計算部６において、前記式（１１）を用いて前記到来方向推定部３により検出された各到来方向の受信電力を計算し、前記移動局方向推定部７は、最大の受信電力を有する到来方向を移動局の方向であると決定する（ステップＳ４５）。
【００２４】
一方、前記ステップＳ４２の判定の結果、所定の角度Δθ内に複数（Ｎ個）のピークが存在しているときには、前記θ_f決定部８は、前記受信電力計算部６により、各到来方向の受信電力Ｓ_n（n=1,2,...,N）を計算し、各到来方向θ_n（n=1,2,...,N）につきそれぞれの受信電力Ｓ_nで重み付けし、平均化して、角度Δθ範囲内の最終的な到来方向θ_fを決定する。すなわち、次式に基づいて算出したθ_fを、そのΔθ範囲内の最終的な一つの到来方向として決定する（ステップＳ４３）。
【数９】

そして、前記θ_f決定部８の制御により決定された到来方向θ_fと角度Δθ外の到来方向のそれぞれの受信電力を前記受信電力計算部６にて計算し、前記移動局方向決定部７は、最大の受信電力を有する到来方向を移動局の方向であると決定する（ステップＳ４５）。
【００２５】
このように、この実施の形態によれば、所定の角度範囲内に複数の到来方向が検出されたときに、繰り返し処理を行うことなく、その角度範囲内の最終的な到来方向を決定することができる。
【００２６】
図６は、前述した本発明の第１の参考実施の形態のアルゴリズムを用いて移動局の方向を複数回推定した場合における実際の方向と推定した方向の誤差と、従来法により同様に推定した場合における移動局方向推定誤差の累積確率を示す図である。また、標準偏差の値は、本発明の第１の実施の形態の場合は、0.40°であり、従来法の場合は、1.14°であった。
この図から、本発明の第１の参考実施形態のアルゴリズムを適用することにより、従来法よりも推定精度の誤差が小さくなっていることが分かる。また、それに伴い、一例として基地局−移動局間距離が２kmであるとき、誤差の標準偏差値を用いると、従来法では実際の移動局の位置に対して約40m のずれが生じているが、本発明の第１のアルゴリズムを適用した場合、約14m のずれに抑制できていることが分かる。
なお、本発明の第２の参考実施及び第１の実施の形態の場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００２７】
なお、上記図１及び図４の機能ブロック図においては、各アンテナ素子の出力を一つの受信機に入力し、該受信機から複数のアンテナ素子の入力信号を出力するようにしていたが、各アンテナ素子対応に受信機を設け、各受信機でそれぞれ対応するアンテナ素子からの受信信号をベースバンド信号に変換するようにしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ある一定の角度Δθの範囲内に複数の方向から電波が到来すると推定した場合、その範囲では到来方向は本来一つであると仮定して検出することから、結果として移動局方向の推定精度を向上することができる。
そして、本発明の移動局位置推定方法及び装置を、基地局から見た移動局までの距離と移動局からの電波の到来方向を用いて移動局の位置を推定する極座標測定、あるいは、３つの基地局から見た移動局の電波の到来方向を用いて移動局の位置を測定するＡＯＡに導入することにより、移動局の位置を精度良く推定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の移動局方向推定装置の第１の参考実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明の移動局方向推定方法の第１の参考実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】 本発明の移動局方向推定方法の第２の参考実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】 本発明の移動局方向推定装置の第１の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
【図５】 本発明の移動局方向推定方法の第１の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】 本発明の第１の参考実施の形態を適用した場合と従来法を適用した場合の移動局方向推定誤差の累積確率を示す図である。
【図７】 移動局位置測定の手法を説明するための図であり、（ａ）はＡＯＡを説明するための図、（ｂ）は極座標測定を説明するための図である。
【図８】 MUSIC アルゴリズムを説明するための図であり、（ａ）はアレーアンテナの構成を示し、（ｂ）はMUSIC スペクトラムの一例を示す図である。
【図９】 移動局から送信された電波が基地局に到達する様子、及び、所定の角度範囲内に複数の電波が集中して到達する場合の問題点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
２ 受信機
３ 到来方向推定部
４ 所定角度範囲内ピーク検索部（Δθ内ピーク検索部）
５，８ 所定角度内最終到来方向決定部（θ_f 決定部）
６ 受信電力計算部
７ 移動局方向推定部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for estimating the direction of a mobile station in a mobile communication system, and is suitable for application to detecting the position of a mobile station.
[0002]
[Prior art]
AOA (Angle of Arrival) and polar coordinate measurement are promising methods for detecting the position of a mobile station that can be closed and used in a mobile communication system without using GPS or the like.
FIG. 7A shows an AOA. As shown in FIG. 7, the AOA measures the position (angle) of a mobile station from three or more base stations by measuring the position (angle) of the mobile station. Is the method. FIG. 7B is a diagram showing polar coordinate measurement, in which polar coordinate measurement is a method for estimating the position of a mobile station by simultaneously measuring the distance and direction from one base station to the mobile station. It is.
In such AOA and polar coordinate measurement, in order to measure the direction of a mobile station, it is first necessary to measure the direction of arrival of radio waves, such as the MUSIC algorithm using an array antenna, the Root-MUSIC algorithm, ESPRIT, etc. The super-resolution DOA estimation technology is a very useful method. Refer to Non-Patent Document 1 for details of such super-resolution arrival direction estimation technology.
[0003]
Here, the MUSIC algorithm will be described with reference to FIG.
(A) of FIG. 8 is a figure which shows the structure of an array antenna. Here, the directivity in the horizontal plane of the antenna is omnidirectional, the number of elements is K, and the antenna element intervals are all equal intervals d. A reception vector when Q paths that are elementary waves arrive at such an array antenna is given by the following equation.
[Expression 1]

However, A, F (t), and N (t) respectively represent a path direction matrix that is each elementary wave, a complex amplitude vector, and a noise vector of each path, as shown in the following equations.
[Expression 2]

Here, F _q (t) and θ _q represent the complex amplitude and arrival direction of the q-th path, respectively, λ represents the wavelength, and d _k represents the distance from the reference point to each element position.
[0004]
The correlation matrix at this time is expressed by the following equation.
[Equation 3]

Here, S = E [F (t) F ^H (t)], and σ ² is noise power. E [] represents an ensemble average.
[0005]
Now, if the eigenvalues of the correlation matrix R _xx are set to λ _k (k = 1,2, ..., K) and the corresponding eigenvectors are set to e _k (k = 1,2, ..., K), The relationship of the following equation holds between.
[Expression 4]

[0006]
Here, if the number of eigenvalues equal to the noise power σ ² is (K−Q), the following relationship is established.
[Equation 5]

The eigenvector corresponding to the eigenvalue [λ _{Q + 1} , ..., λ _K ] equal to the noise power σ ² is
[Formula 6]

The MUSIC spectrum is expressed by the following well-known formula.
[Expression 7]

[0007]
Here, when each path is the same signal and is a coherent wave having a correlation with each other, the cross-correlation of each path is suppressed using the forward-backward (F / B) method which is a spatial averaging method. . Specifically, (K−M + 1) subarrays of M elements are extracted from the K array antennas while shifting the elements one by one, and the correlation matrix (partial correlation matrix) of each subarray is added to obtain a correlation matrix. Should be calculated.
[0008]
Using such a MUSIC algorithm, the direction of the mobile station is estimated as follows.
First, the eigenvalue of the correlation matrix R _xx is obtained from the equation (6), and the number of incoming waves Q is estimated from the number of eigenvalues larger than the noise power σ ² . For example, AIC (Akaike Information Creteria) is used as a method for estimating the number of incoming waves. Next, the eigenvalue corresponding to the noise power and the eigenvector corresponding to the eigenvalue are obtained, and the MUSIC spectrum is calculated by Equation (10).
FIG. 8B shows an example of the MUSIC spectrum calculated in this way. Then, Q peak values are searched from the MUSIC spectrum in descending order to determine the arrival directions {θ ₁ ,..., Θ _Q } of radio waves.
Here, since there are a plurality of arrival directions of radio waves, the direction of the mobile station cannot be uniquely determined. Therefore, the received power of the estimated Q paths is obtained, and the path with the largest received power is defined as the direction of the mobile station with the expectation that the path with the largest received power is the path through the shortest path. (See Non-Patent Document 2 by the inventor of the present application.)
The received power of each path can be obtained from the diagonal component of the correlation matrix S by performing an inverse matrix operation on the arrival direction {θ ₁ ,..., Θ _Q } as shown in the following equation.
[Equation 8]

[0009]
[Non-Patent Document 1]
Nobuyoshi Kikuma, "Adaptive signal processing with array antenna", Science and Technology Publishing, November 25, 1998, p.191-268
[Non-Patent Document 2]
Satoshi Omohide, Teruya Fujii, “Examination of Mobile Terminal Location Detection Method for Broadband Mobile Communications: Estimation Accuracy of Mobile Station Direction”, IEICE Technical Report, AP2002-37 (2002-6), pp.17-22
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when estimating the direction of a mobile station from a plurality of arrival directions estimated by the MUSIC algorithm, the reception power of each arrival direction is calculated, and the arrival direction with the maximum reception power is determined as the direction of the mobile station. It was decided. Note that the magnitude of the MUSIC spectrum peak does not match the magnitude of the received power.
However, when it is estimated that there are a plurality of directions of arrival (N) concentrated in a certain angle (Δθ) range in MUSIC or the like, considering the actual propagation environment, FIG. As shown, there is a high possibility that a plurality of radio waves transmitted from the mobile station are reflected by nearby buildings and reach the base station.
In such a case, the direction of the mobile station is in the range of the angle Δθ, but if the resolution is very high, multiple peaks appear, and if one of them is selected as the direction of the mobile station, There is a high possibility that errors and directions of mobile stations will occur.
FIG. 9B is a diagram showing this state. In the case of the example 1 shown in the figure, a plurality of radio waves are concentrated in the range of the angle Δθ, and the correct mobile station direction can be obtained in any case when the arrival direction is estimated with different numbers of antenna elements. However, in the case of Example 2, when the number of antenna elements is medium (K = 10), the correct mobile station direction is not obtained. As described above, when a plurality of radio waves arrives concentrated within a certain angle (Δθ), the error between the mobile station direction determined by the above-described method and the actual mobile station direction is relatively small. It was a big one. For this reason, a relatively large distance shift occurs between the actual direction of the mobile station and the estimated direction. It becomes a problem to make this shift in distance as small as possible. In other words, it is necessary to make the error between the actual mobile station direction and the estimated mobile station direction as small as possible.
[0011]
Therefore, the present invention estimates the arrival direction of radio waves using super-resolution arrival direction estimation technology such as MUSIC and detects the position of the mobile station, and if there are a plurality of arrival directions between the predetermined angle range Δθ. An object of the present invention is to provide a mobile station direction estimation method and apparatus capable of improving estimation accuracy when estimated.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a mobile station direction estimation method of the present invention is a method for estimating the direction of a mobile station at a base station in a mobile communication system, and uses a super-resolution arrival direction estimation technique using an array antenna. A first step for estimating an arrival angle; a second step for detecting whether or not a plurality of arrival directions are detected within a predetermined angle range as a result of the first step; and a predetermined angle in the second step. A third step of determining a final direction of arrival in the angular range from a plurality of directions of arrival within the predetermined angular range when a plurality of directions of arrival are detected within the range; and Calculate the received power of each of the detected arrival directions outside the predetermined angular range and the arrival directions determined by the third step, and the arrival direction having the maximum received power. It is intended to include a fourth step of determining the direction of the mobile station.
[0013]
In the third step, the angle indicating the direction of the angle obtained by weighting and averaging the angles indicating the plurality of arrival directions detected within the predetermined angle range by the respective received powers is determined in the predetermined angle range. It is a step that is determined as one final direction of arrival.
[0014]
Furthermore, the mobile station direction estimation apparatus of the present invention is an apparatus for estimating the direction of a mobile station in a mobile communication system, and is based on an array antenna and a radio wave by super-resolution arrival direction estimation technology based on a received signal from the array antenna. A direction-of-arrival estimator for estimating the direction of arrival, a peak search unit within a predetermined angle range for determining whether or not a plurality of directions of arrival are detected within a predetermined angle range by the arrival direction estimator, and the predetermined angle range Based on the detection results of the inner peak search unit and the arrival direction estimation unit, within a predetermined angle range for determining a final arrival direction within the angular range from a plurality of arrival directions detected within the predetermined angular range The final arrival direction determination unit, the arrival direction outside the predetermined angle range, and the arrival direction determined by the final arrival direction determination unit Those having a mobile station direction estimation unit for determining a coming direction and the mobile station direction.
[0015]
Furthermore, the final arrival direction determination unit weights angles indicating a plurality of arrival directions within a predetermined angle range by respective received powers, and averages the direction of the angle obtained by the average within the predetermined angle range. One direction of arrival is determined.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The mobile station direction estimation method of the present invention can be applied to various super-resolution direction-of-arrival estimation processes using an array antenna such as the MUSIC algorithm, Root-MUSIC algorithm, ESPRIT algorithm, etc., but here the MUSIC algorithm is used. The case of using will be described as an example.
First, a description will be given of a first reference embodiment of a mobile station direction estimation method of the present invention.
Figure 1 is a first block diagram showing a main configuration of a mobile station direction estimation apparatus form of the reference implementation is executed in the mobile station direction estimation method of the present invention, the Figure 2 is a mobile station direction estimation method of the present invention It is a flowchart which shows the flow of a process of 1 embodiment.
In FIG. 1, 1 is an array antenna having a plurality of (here, K) antennas (# 1 to #K), 2 is a receiver connected to the array antenna 1 and outputting a reception signal of each antenna, 3 is an arrival direction estimation unit that estimates the arrival direction by analyzing the reception signal (reception vector X (t)) of each antenna output from the receiver 2 using a super-resolution arrival direction estimation technique such as MUSIC described above. 4 is a peak within a predetermined angle range for searching whether there is a peak within a predetermined angle (Δθ) with respect to each arrival direction in the arrival direction estimation result by the arrival direction estimation unit 3. A search unit (a peak search unit within Δθ) 5 is a peak search unit, and when a plurality of peaks exist within the angle Δθ in the peak search unit, one peak is finally arrived within the angle range. Direction a predetermined angle in the final arrival direction determination unit which determines a (angle theta _f) (theta _f determining unit), 6 were determined by the direction of arrival and the final arrival direction determining unit 5 outside the predetermined angle ([Delta] [theta]) range A received power calculation unit 7 that calculates received power in the arrival direction (θ _f ), and 7 is a mobile station direction estimation unit that determines the direction of the mobile station based on the calculation result of the received power calculation unit 6.
[0017]
The flow of processing in the first reference embodiment of the arrival direction estimation apparatus of the present invention configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG.
When the processing is started, the arrival direction estimation unit 3 performs analysis processing on the received signals of the antenna elements (# 1 to #K) supplied from the receiver 2 using the MUSIC algorithm described above. The MUSIC spectrum as shown in FIG. 8B is calculated (step S11). Here, it is assumed that M peaks are calculated as a result.
Next, in the peak search part 4 within Δθ, based on the calculation result by the arrival direction estimation unit 3, it is determined whether or not there are peaks that exist within a predetermined angle (Δθ) with respect to each arrival direction. Determination is made (step S12). Here, the value of the predetermined angle Δθ can be arbitrarily determined according to individual cases, and may be a value of about 1 ° to 5 °, for example.
As a result of the determination, when there are no plural peaks within a predetermined angle (Δθ), each received power detected by the arrival direction estimation unit 3 using the equation (11) in the reception power calculation unit 6. The mobile station direction estimator 7 determines the direction of arrival having the maximum received power as the direction of the mobile station (step S20).
[0018]
On the other hand, as a result of the determination in step S12, when there are a plurality of peaks within the predetermined angle Δθ, the final arrival direction determining unit (θ _f determining unit) 5 within the predetermined angle performs the following processing.
First, the detected peak is stored and stored in a predetermined region (step S13), and then the number of antennas of the received signal supplied from the receiver 2 is decreased by one (step S14), and the arrival The direction estimation unit 3 is caused to perform analysis processing by the MUSIC algorithm for an angle range obtained by adding a margin Δφ to a predetermined angle Δθ in which the plurality of peaks exist, that is, an angle range of Δθ ± Δφ including the peak ( Step S15). Here, the value of the margin Δφ may be 0 °, or an arbitrary value according to the value of Δθ, for example, about 0 ° to 1 °. Further, when performing the analysis processing, the analysis is performed so that the received signal from any one of the K antenna elements (# 1 or #K) located at one end is not used for the calculation. Alternatively, the signal may be received again without using any of the antenna elements (# 1 or #K), and the analysis process may be performed using the received signal.
Then, the number of peaks obtained as a result of the analysis processing in step S15 is determined (step S16), and when the peak becomes 0 (when monotonically decreasing or monotonically increasing within the angular range calculated by the MUSIC spectrum). Calculates the received power of each of the plurality of peaks existing in the angle Δθ stored in step S13, and determines the peak having the maximum received power as the arrival direction θf within the range of the angle Δθ (step S17). When the number of peaks is one, the direction of the one peak is determined as the arrival direction θ _f within the angle Δθ (step S18). On the other hand, when the number of peaks is 2 or more, the process returns to step S13, the newly obtained peak is stored as a peak within the angle range, and step S14 and subsequent steps are repeatedly executed. Thereby, in step S17 or step S18, the arrival direction θ _f within the range of the angle Δθ is determined.
[0019]
Next, the received power of the arrival direction θ _f and the arrival direction outside the angle Δθ determined by the control of the θ _f determination unit 5 is calculated by the reception power calculation unit 6, and the mobile station direction determination unit 7 Determines that the direction of arrival having the maximum received power is the direction of the mobile station (step S19).
Note that the received power calculation unit 6 may execute the calculation of the received power for the direction of arrival outside the angle Δθ first, regardless of the instruction from the θ _f determination unit 5.
[0020]
Thus, according to the mobile station direction estimation method and apparatus according to the reference embodiment of the present invention, when it is estimated that radio waves arrive from a plurality of directions within a certain angle (Δθ), the range In this case, detection is performed on the assumption that the arrival direction is originally one, and as a result, the estimation accuracy of the mobile station direction can be improved.
[0021]
In the first reference embodiment described above, when the number of peaks does not become 0 or 1 as a result of step S15, the processing is repeated until the number K of antenna elements becomes K = 2. Therefore, a second reference embodiment of the present invention in which the minimum value of the number of antenna elements to be used can be arbitrarily determined will be described with reference to the flowchart of FIG. The apparatus configuration of this reference embodiment is the same as that shown in FIG.
As is clear when FIG. 3 is compared with FIG. 2, steps S21, S22, S23, S25, S26, S27, S28, S29, S30 and S31 in FIG. 3 are respectively performed in steps S11, S12, and S31 in FIG. This embodiment corresponds to S13, S14, S15, S16, S17, S18, S19, and S20. In this embodiment, the number K of antenna elements used for the calculation after step S23 is less than the preset minimum value _Kmin . big whether the determining step S24 also provided, if the number of antenna elements K used for calculation at that point has become the minimum value K _min, without decreasing the number of antenna elements K, the process proceeds to step S28 The maximum received power of the corresponding peaks stored is determined as the final arrival direction θ _f in the range of the angle Δθ. I have to.
In this way, the minimum value of the number of antenna elements used for calculation may be set.
[0022]
In the first and second reference embodiments described above, the MUSIC algorithm is repeatedly executed by sequentially reducing the number of antenna elements. Next, a description will be given of a first embodiment of the present invention in which one arrival direction within a range of a predetermined angle Δθ is determined without performing such repetition.
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of a mobile station direction estimation apparatus in which the mobile station direction estimation method of this embodiment of the present invention is executed, and FIG. 5 shows the processing of the mobile station direction estimation method of this embodiment. It is a flowchart which shows a flow.
In FIG. 4, the same components as those in FIG. As is apparent from a comparison between FIG. 4 and FIG. 1, the final arrival direction determination unit (θ _f determination unit) 8 within a predetermined angle in this embodiment includes the Δθ peak search unit 4, the received power calculation unit 6, and the like. Is different from the reference embodiment of FIG. 1 in that it is not connected to the arrival direction estimation unit 3.
[0023]
The flow of processing in the mobile station direction estimation apparatus configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG.
Similar to the above-described embodiment, the arrival direction estimation unit 3 analyzes the received signals of the antenna elements (# 1 to #K) supplied from the receiver 2 using the MUSIC algorithm described above. Processing is performed and a MUSIC spectrum is calculated (step S41).
Next, in the peak search part 4 within Δθ, based on the calculation result by the arrival direction estimation unit 3, it is determined whether or not there are peaks that exist within a predetermined angle (Δθ) with respect to each arrival direction. Determination is made (step S42).
As a result of the determination, when there are no plural peaks within a predetermined angle (Δθ), each received power detected by the arrival direction estimation unit 3 using the equation (11) in the reception power calculation unit 6. The mobile station direction estimator 7 determines the direction of arrival having the maximum received power as the direction of the mobile station (step S45).
[0024]
On the other hand, as a result of the determination in step S42, when there are a plurality (N) of peaks within the predetermined angle Δθ, the θ _f determination unit 8 uses the received power calculation unit 6 to determine each arrival direction. received power _{S n (n = 1,2, ...} , n) calculates the respective direction of arrival _{θ n (n = 1,2, ...} , n) and weighted by the respective received power S _n per, Averaging is performed to determine the final direction of arrival θ _f within the angle Δθ range. That is, θ _f calculated based on the following equation is determined as one final arrival direction within the Δθ range (step S43).
[Equation 9]

Then, the reception power calculation unit 6 calculates the reception power of the arrival direction θ _f determined by the control of the θ _f determination unit 8 and the arrival direction outside the angle Δθ, and the mobile station direction determination unit 7 The direction of arrival having the maximum received power is determined to be the direction of the mobile station (step S45).
[0025]
Thus, according to this embodiment, when a plurality of arrival directions are detected within a predetermined angular range, the final arrival direction within the angular range is determined without performing iterative processing. Can do.
[0026]
6, the direction of the error estimated from the actual direction in the case where the direction of the mobile station using the algorithm of the first reference embodiment of the present invention described above was estimated more than once, were estimated in the same manner by the conventional method It is a figure which shows the accumulation probability of the mobile station direction estimation error in a case. The standard deviation value was 0.40 ° in the case of the first embodiment of the present invention, and 1.14 ° in the case of the conventional method.
From this figure, it can be seen that by applying the algorithm of the first reference embodiment of the present invention, the error in estimation accuracy is smaller than in the conventional method. In addition, when the distance between the base station and the mobile station is 2 km as an example, if the standard deviation value of the error is used, the conventional method causes a deviation of about 40 m from the actual mobile station position. When the first algorithm of the present invention is applied, it can be seen that the deviation of about 14 m can be suppressed.
The same effect can be obtained also in the case of the second reference embodiment and the first embodiment of the present invention.
[0027]
In the functional block diagrams of FIGS. 1 and 4, the output of each antenna element is input to one receiver, and the input signals of a plurality of antenna elements are output from the receiver. A receiver may be provided for each antenna element, and each receiver may convert a received signal from the corresponding antenna element into a baseband signal.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when it is estimated that radio waves arrive from a plurality of directions within a certain angle Δθ, detection is performed on the assumption that the arrival direction is originally one in the range. As a result, the estimation accuracy of the mobile station direction can be improved.
Then, the mobile station position estimation method and apparatus according to the present invention is a polar coordinate measurement that estimates the position of a mobile station using the distance from the base station to the mobile station and the arrival direction of radio waves from the mobile station, or three By introducing the AOA that measures the position of the mobile station using the arrival direction of the radio wave of the mobile station as viewed from the base station, the position of the mobile station can be accurately estimated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of a first reference embodiment of a mobile station direction estimating apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a process flow of the first reference embodiment of the mobile station direction estimation method of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart showing a process flow of a second reference embodiment of the mobile station direction estimating method of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a main configuration of the mobile station direction estimating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing a process flow of the first embodiment of the mobile station direction estimating method of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a cumulative probability of a mobile station direction estimation error when the first reference embodiment of the present invention is applied and when the conventional method is applied.
7A and 7B are diagrams for explaining a mobile station position measurement method, in which FIG. 7A is a diagram for explaining AOA, and FIG. 7B is a diagram for explaining polar coordinate measurement;
8A and 8B are diagrams for explaining the MUSIC algorithm, in which FIG. 8A shows the configuration of an array antenna, and FIG. 8B shows an example of a MUSIC spectrum.
FIG. 9 is a diagram for explaining how radio waves transmitted from a mobile station reach a base station, and problems when a plurality of radio waves arrive in a concentrated manner within a predetermined angle range.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Array antenna 2 Receiver 3 Arrival direction estimation part 4 Peak search part within a predetermined angle range (peak search part within Δθ)
5,8 Final arrival direction determination unit within a predetermined angle (θ _f determination unit)
6 Received power calculation unit 7 Mobile station direction estimation unit

Claims (2)

A method for estimating a direction of a mobile station at a base station in a mobile communication system,
A first step of estimating an arrival angle of radio waves by a super-resolution direction-of-arrival estimation technique using an array antenna;
A second step of detecting whether a plurality of directions of arrival are detected within a predetermined angular range as a result of the first step;
When a plurality of directions of arrival are detected within a predetermined angle range in the second step, a final one direction of arrival within the angle range is selected from a plurality of directions of arrival within the predetermined angle range. A third step of determining, and
A received power for each of the detected arrival direction outside the predetermined angle range and the arrival direction determined by the third step is calculated, and the arrival direction having the maximum reception power is determined as the direction of the mobile station. Including the steps of
The third step includes
The angle indicating the plurality of directions of arrival detected within the predetermined angle range is weighted by each received power, and the angle direction obtained by averaging is obtained as one final direction of arrival within the predetermined angle range. mobile station direction estimation method, characterized in that the step of determining a. An apparatus for estimating a direction of a mobile station in a mobile communication system,
An array antenna,
Based on the received signals from the array antenna, an arrival direction estimation unit that estimates the arrival direction of radio waves by super-resolution arrival direction estimation technology;
A peak search unit within a predetermined angle range that determines whether or not a plurality of arrival directions are detected within a predetermined angle range by the arrival direction estimation unit;
Based on the detection results of the peak search unit within the predetermined angle range and the arrival direction estimation unit, a final arrival direction within the angular range is determined from a plurality of arrival directions detected within the predetermined angle range. A final arrival direction determining unit within a predetermined angle range;
A mobile station direction estimation unit that determines a direction of arrival having the maximum received power as a mobile station direction among the arrival direction outside the predetermined angle range and the arrival direction determined by the final arrival direction determination unit ;
The final direction-of-arrival determining unit weights angles indicating a plurality of directions of arrival within a predetermined angle range by respective received power, and averages the direction of the angle obtained by averaging, as one final angle within the predetermined angle range. A mobile station direction estimation apparatus characterized by being determined as an arrival direction .

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