CN105493345A - 天线指向性控制系统 - Google Patents

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CN105493345A
CN105493345A CN201480048011.5A CN201480048011A CN105493345A CN 105493345 A CN105493345 A CN 105493345A CN 201480048011 A CN201480048011 A CN 201480048011A CN 105493345 A CN105493345 A CN 105493345A
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bram pattern
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园田龙太
井川耕司
末永幸太郎
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Abstract

一种天线指向性控制系统，具备：指向性可变的多个天线(例如，2个天线11、12)；测定单元(例如，信号处理电路30)，其对与所述多个天线的接收信号有关的接收信号质量和信道质量进行测定；选择单元(例如，控制器31)，其根据所述接收信号质量的测定值和所述信道质量的测定值，从存储装置中预先准备的指向性图案候选中选择对所述多个天线元件设定的指向性图案；以及设定单元(例如，指向性控制电路21、22)，其对所述多个天线设定所选择出的指向性图案。

Description

天线指向性控制系统
技术领域
本发明涉及一种天线的指向性控制系统。
背景技术
作为使通信速度提高的方法，正利用一种采用多天线的MIMO空间多路复用通信技术。然而，在移动体通信中，终端处的电波传播环境是多样的，能够利用MIMO空间多路复用通信的环境实际上是有限的。
例如，在非专利文献1中公开了一种市区内的到达波的角度扩展(AngleSpread)的实测数据。示出了以下情况：即使是大厦等反射物比较多的市区，到达波的角度扩展也为30°以下，无法获得足够的多路径到达环境。
由于存在这种实际情况，因此在非专利文献2所示的3GPP标准的情况下，除了MIMO空间多路复用模式以外，还设定了波束成形模式、发送分集模式、多用户MIMO模式等共计9个传输模式。采用了以下方式：基于从基站发送的基准信号来测定终端所处的电波环境，并选择恰当的传输模式。
另一方面，作为使通信性能提高的方法之一，正研究一种具有指向性可变功能的多天线。关于这种指向性可变天线，在专利文献1中公开了一种指向性可变天线的指向性选择方法，来作为使MIMO空间多路复用通信中的相对于电波环境变动的鲁棒性提高的方法。
专利文献1：日本特开2010-258579号公报
非专利文献1：TetsuroImai，etc.，“APropagationPredictionSystemforUrbanAreaMacrocellsUsingRay-tacingMethods”，NTTDoCoMoTechnicalJournal，Vol.6，No.1，p.41-51
非专利文献2：3GPPTS36.213V10.1.03rdGenerationPartnershipProject；TechnicalSpecificationGroupRadioAccessNetwork；EvolvedUniversalTrrestrialRadioAccess(E-UTRA)；Pysicallayerprocedures(Release10)，p.26-27
非专利文献3：多贺，“陸上移動通信環境におけるアンテナダイバーシチ相関特性の解析(陆上移动通信环境下的天线分集相关特性的分析)”，电子信息通信学会论文志B-II，Vol.J-73-B-II，No.12，p.883-895
非专利文献4：唐泽，“MIMO伝搬チャンネルモデリング(MIMO传播信道建模)”，电子信息通信学会论文志B，Vol.J-86-B，No.9，p.1706-1720
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献1所公开的方法是考虑指向性图案间的相关性的技术，前提是仅选择天线间的相关性低的天线结构。因此，能够在MIMO空间多路复用通信中利用，但在如上所述那样选择了除MIMO空间多路复用通信以外的传输模式的情况下，不能实现良好的通信性能。
因此，本发明的目的在于提供一种能够追随电波传播环境的变动来选择恰当的指向性图案的天线指向性控制系统。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的，提供一种天线指向性控制系统，其具备：
指向性可变的多个天线；
测定单元，其对与所述多个天线的接收信号有关的接收信号质量和信道质量进行测定；
选择单元，其根据所述接收信号质量的测定值和所述信道质量的测定值，从预先准备的多个指向性图案候选中选择对所述多个天线设定的指向性图案；以及
设定单元，其对所述多个天线设定所选择出的指向性图案。
发明的效果
根据一个方式，能够追随电波传播环境的变动来选择恰当的指向性图案。
附图说明
图1是示出指向性控制系统的一个结构例的框图。
图2是示出到达波的角度扩展为100°时的信道容量的比较数据的曲线图。
图3是示出到达波的角度扩展为10°时的信道容量的比较数据的曲线图。
图4是示出BF模式下的信道容量的比较数据的曲线图。
图5是示出用于制作被预先准备的指向性图案候选的指向性模型图案的形状例的图案图。
图6是示出用于制作被预先准备的指向性图案候选的指向性模型图案的形状例的图案图。
图7是示出指向性图案的选择方法的一例的流程图。
图8是示出用于制作指向性图案候选的指向性图案的形状例的图案图。
图9是表示基于天线间的相关系数互不相同的4个指向性图案的测定数据的、对于5个角度扩展σp以MIMO模式进行传输时的SINR下的信道容量的分析数据的一例的曲线图。
图10是表示基于天线间的相关系数互不相同的4个指向性图案的测定数据的、对于5个角度扩展σp以BF模式进行传输时的SINR下的信道容量的分析数据的一例的曲线图。
图11是表示以MIMO模式和BF模式进行传输时的SINR和信道容量的分析数据的一例的曲线图。
具体实施方式
<天线指向性控制系统的结构>
图1是示出作为本发明的一个实施方式的天线指向性控制系统10的结构例的框图。天线指向性控制系统10例如是搭载于无线通信装置100的天线系统。作为无线通信装置100的例子，能够列举移动体本身或内置于移动体的通信装置。作为移动体的例子，能够列举可携带的便携式终端装置、汽车等车辆、机器人等。作为便携式终端装置的具体例，能够列举便携式电话、智能手机、平板型计算机等电子设备。
天线指向性控制系统10具备指向性可变的多个天线11、12、信号处理电路30、控制器31以及多个指向性控制电路21、22。
2个天线11、12是能够接收到达的电波(到达波)或者发送无线通信装置100的信号且能够控制指向性的天线。天线11、12各自的专用的指向性图案由所对应的指向性控制电路21、22动态且独立地控制。所谓在天线指向性控制系统10中选择的指向性图案，可以说是选择天线11、12各自的专用的指向性图案的组合。此外，也可以不独立地控制天线11、12各自的专用的指向性图案，而例如像相控阵天线那样用2个天线11、12控制指向性图案。
另外，为了能够控制指向性，多个天线11、12各自可以具有辐射元件(天线元件)和用于控制辐射元件的阻抗的阻抗控制部。阻抗控制部例如是能够调整电容的电容可变电路、能够调整电抗的电抗可变电路等。另外，为了能够控制指向性，天线11、12各自也可以由相控阵天线构成。
信号处理电路30是对由天线11、12通过接收到达波而得到的接收信号进行处理或者对无线通信装置100的发送信号进行处理的电路。信号处理电路30例如是对由天线11、12得到的接收信号进行放大和AD转换等高频处理、基带处理的电路。
信号处理电路30包含对与天线11、12的接收信号有关的接收信号质量和与天线11、12的接收信号有关的信道质量进行测定的测定单元。
作为与天线11、12的接收信号有关的接收信号质量的一例，能够列举SINR(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio：信号与干扰加噪声比)。然而，与天线11、12的接收信号有关的接收信号质量也可以与应用天线指向性控制系统10的通信方式相应地是其它指标。例如，在应用于LTE(LongTermEvolution：长期演进技术)方式的情况下，能够列举SIR(SignaltoInterferenceRatio：信号干扰比)、RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator：接收信号强度指标)、RSRP(ReferenceSignalReceivedPower：参考信号接收功率)、RSRQ(ReferenceSignalReceivedQuality：参考信号接收质量)等。在应用于W‐CDMA(WidebandCodeDivisionMultipleAccess：宽带码分多址)方式的情况下，能够列举RSCP(ReceivedSignalCodePower：接收信号码功率)等。
作为与天线11、12的接收信号有关的信道质量的一例，能够列举信道信息(CSI：ChannelStateInformation(信道状态信息))、秩(rank)等。然而，与天线11、12的接收信号有关的信道质量也可以与应用天线指向性控制系统10的通信方式相应地是其它指标。例如，在应用于LTE方式的情况下，能够列举CQI(ChannelQualityIndicator：信道质量指标)、PMI(Pre-codingMatrixIndicator：预编码矩阵指标)、RI(RankIndicator：秩指标)等。
控制器31从预先准备并存储在存储器32中的指向性图案候选中选择对天线11、12设定的指向性图案，并向指向性控制电路21、22输出与所选择出的指向性图案对应的控制信号。预先存储在存储器32中的指向性图案候选是用于在天线11、12各自中独立地实现多个不同的指向性图案的图案数据，是天线11、12各自的专用的指向性图案的组合的数据。控制器31例如是具备CPU的微型计算机。存储器32是设置于控制器31的内部或外部的存储装置。
控制器31是根据与天线11、12的接收信号有关的接收信号质量的测定值和信道质量的测定值来从预先准备的多个指向性图案候选中选择对天线11、12设定的指向性图案的选择单元的一例。
指向性控制电路21、22是按照从控制器31指示的控制信号对天线11、12设定由控制器31选择出的指向性图案的设定单元的一例。指向性控制电路21、22例如具有与天线11、12有关的电抗可变电路。
因而，根据与天线11、12的接收信号有关的接收信号质量的测定值和信道质量的测定值来从多个指向性图案候选中选择对天线11、12设定的指向性图案，因此能够追随电波传播环境的变动来选择恰当的指向性图案。例如，将接收信号质量的测定值设为Msq，将信道质量的测定值设为Mcq。
例如，在Msq为第一阈值以上且Mcq为第二阈值以上的情况下，控制器31从存储器32内的指向性图案候选中选择与在Mcq小于第二阈值的情况下选择的指向性图案相比天线11、12间的相关系数ρe低的指向性图案。
例如，在Msq小于第一阈值且Mcq小于第二阈值的情况下，控制器31从存储器32内的指向性图案候选中选择与在Mcq为第二阈值以上的情况下选择的指向性图案相比天线11、12间的相关系数ρe高且天线11、12的合成增益高于规定的增益值的指向性图案。
例如，在Msq为第一阈值以上且Mcq小于第二阈值的情况下，控制器31从存储器32内的指向性图案候选中选择与在Mcq为第二阈值以上的情况下选择的指向性图案相比天线11、12间的相关系数ρe高的指向性图案。
例如，在Msq小于第一阈值且Mcq为第二阈值以上的情况下，控制器31从存储器32内的指向性图案候选中选择与在Mcq小于第二阈值的情况下选择的指向性图案相比天线11、12间的相关系数ρe低且天线11、12的合成增益高于规定的增益值的指向性图案。
<相关系数ρe的定义>
接着，对基于指向性图案的天线间的相关系数ρe进行说明。例如能够通过式1来导出基于指向性图案的天线间的相关系数ρe(例如，参照非专利文献3)。
[式1]
…式1
在式1中，假设不同指向性的2个天线彼此具有足够大的交叉极化波鉴别率(XPD)且垂直极化波成分的指向性图案处于主导地位。原来的文献示出的式子考虑了交叉极化波而复杂，因此式1通过仅假定垂直极化波而被简化。
E1、E2表示天线的复数电场指向性，P表示到达波的角度分布，k表示波数，x表示天线间的相位差。θ表示仰角，表示水平面内的角度。E1、E2、P是角度θ、的函数。
在本发明的实施方式中，将到达波的角度分布设为将设为相对于仰角θ的正态分布，将设为相对于水平面内角度的正态分布。
将作为到达波的角度分布的平均的角度称为平均到达角，将相对于仰角方向的平均到达角设为mt，将相对于水平面内方向的平均到达角设为mp。平均到达角表示从多个方向到达的电波从哪个方向到达的概率高。
将作为到达波的角度分布的标准偏差的角度称为角度扩展，将相对于仰角方向的角度扩展设为σt，将相对于水平面内方向的角度扩展设为σp。角度扩展表示多个电波的到达角在平均到达角周边集中的程度。
由此，对于本发明的实施方式的相关系数，使到达波的角度任意地变化，计算各平均到达角时的相关系数，并应用了对这些相关系数进行平均而得到的平均相关系数。相关系数表示天线间的相关性的尺度。
<信道容量的定义>
接着，对信道容量进行说明。信道容量表示在某个频率的传播信道中不发生干扰而能够多路复用的信号的密度。在信道容量高的情况下，如果发送不同的信息，则能够提高通信速度，如果发送同一信息，则能够改善接收侧的信噪比。
发送侧的传播环境信息已知且能够进行最佳的发送电力分配的情况下的信道容量C用式2表示。
[式2]
C = &Sigma; i = 1 M 0 log 2 ( 1 + &lambda; i &gamma; i ) &gamma; 0 = &Sigma; i = 1 M 0 &gamma; i …式2
λi是传播矩阵的第i个特征值，M0表示传播矩阵的秩(阶数。rank)。另外，一般情况下，大多利用单个天线的特性将信道容量C归一化，γ0表示损耗1的传播路径中的用单个天线进行接收的情况下的信噪比。
在γ0足够高的情况下，如果对各特征路径分配同等的电力，则能够获得充足的多路复用增益，在γ0低的情况下，在对最大特征值的路径分配所有电力的情形下能够期待通过最大比合成来改善信噪比(参照非专利文献4)。
γi表示各特征路径中的信噪比。通过附加以下条件，能够设为对电力分配不同的情况进行比较时的规范，该条件是指，在电力分配不同的情况之间，γi的合计值彼此相等。
将MIMO空间多路复用模式下的各特征路径的信噪比设为γi＝γ0/M0(1≤i≤M0)，将波束成形模式下的各特征路径的信噪比设为γi＝γ0(i＝1)，γi＝0(1<i≤M0)。
在本发明的实施方式中，根据电波到达的角度(到达角)的分布条件(到达角分布条件)，使多个电波的各个电波(基元波)的到达角随机地产生，通过将各基元波进行复数合成来获得传播矩阵。
通过使基元波的初始相位变化来实现由衰落导致的传播矩阵的变动。将基元波的初始相位设为相同分布。设具备天线的移动体正在移动，从而计算出50个地点的传播矩阵。
另外，在同一路径环境中，对用单个的无指向性天线进行了接收的情况下的50个地点的平均接收电力进行计算，并将传播矩阵归一化。使用该传播矩阵的特征值将基于式2计算出的信道容量C设为50个地点的瞬时信道容量。将衰落环境下的平均的通信性能指标设为对50个地点的瞬时信道容量进行平均而得到的值(平均信道容量)。
本实施方式所涉及的天线指向性控制系统是通过进行与接收信号质量和信道质量相应的控制来提高通信性能的系统。作为表现信道质量的变动、即多路径环境的变化的方法，能够利用使到达角分布的角度扩展变化的方法。在此，使具有不同的到达角分布的角度扩展的到达波的入射角度任意地变化，并计算出各平均到达角时的平均信道容量。然后，将计算出的平均信道容量中的最大值、即最大信道容量应用于本实施方式中的信道容量。信道容量表示天线间的通信性能指标。
<指向性图案与传输模式的关系>
接着，对指向性图案与传输模式的关系进行说明。图2和图3是示出以相同的指向性图案在MIMO空间多路复用模式(MIMO模式)下传输时和在波束成形模式(BF模式)下传输时获得的信道容量的比较数据的曲线图。图2是示出在将水平面内的角度扩展σp的假定值设定为100°的情况下SINR与信道容量的关系的模拟数据。图3是示出在将水平面内的角度扩展σp的假定值设定为10°的情况下SINR与信道容量的关系的模拟数据。
此外，关于图2、图3以及图4中的到达波，假设大多为从水平面内到达的波，将到达波的仰角方向的角度分布Pt(θ)的平均到达角mt设为90°(将天顶方向设为0°、将大地平面方向设为180°的情况)，将角度扩展σt设为10°。
另外，在图2、图3以及图4的例子中的指向性图案的选定时，假设能够获得适于MIMO空间多路复用通信的足够的多路径的环境，且与图2、图3以及图4的条件无关地将到达波的水平面内的角度分布的角度扩展σp的假定值设为100°。而且，使平均到达角mp在0°到350°之间以10°为间隔变化36次，使用对这些平均到达角分别计算出的相关系数的平均值来选定图2、图3以及图4的例子中的指向性图案。
另外，关于图2、图3以及图4中的信道容量，使水平面内的平均到达角mp在0°到330°之间以30°为间隔进行变化，并计算出12个平均信道容量，求出它们中的最大值即最大信道容量。在图2中，角度扩展σp的假定值是100°，在图3和图4中将角度扩展σp的假定值设为10°。
SINR(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio：信号与干扰加噪声比)是指，在多元件环境中考虑了周边元件的干扰的、接收信号电力与干扰加噪声电力的比。SINR是通过SINR＝S/(I+N)来定义的通信质量指标。S表示接收信号电力，I表示干扰电力，N表示噪声电力。
图2、图3示出了对于天线间的相关系数互不相同且相关系数低的5个指向性图案、MIMO模式和BF模式各模式下的相对于SINR的信道容量的分析数据。此外，关于这里的信道容量，设为不存在干扰电力且是使用式(2)计算出的。
在图2、图3中示出了以下情况：即使多个天线11、12的专用的指向性图案的组合相同，即，即使是同一个指向性图案，在传输模式是MIMO模式和BF模式的情况下信道容量也发生变化。此外，相关系数是作为天线的性能，因此在是同一个指向性图案的情况下，相关系数相同。
由此，根据图2、图3，在高SINR环境中，即使是相同的指向性图案，MIMO模式下的信道容量也大于BF模式下的信道容量，在低SINR环境中，BF模式下的信道容量也大于MIMO模式下的信道容量。
另外，根据图2、图3，在高SINR环境中，水平面内的角度扩展σp大时的MIMO模式下的信道容量比水平面内的角度扩展σp小时的MIMO模式下的信道容量大。另外，根据图2、图3，在低SINR环境中，水平面内的角度扩展σp小时的BF模式下的信道容量比水平面内的角度扩展σp大时的BF模式下的信道容量大。
也就是说，在是高SINR环境且角度扩展σp大的环境(即，能够获得足够的多路径的环境)的情况下，通过以适于MIMO模式的传输的指向性图案来传输信息，能够提高信道容量。MIMO模式是利用多个天线同时传输多个不同信息的方式，因此优选多个天线间的相关系数低。因而，适于MIMO模式的传输的指向性图案是多个天线间的相关系数低的指向性图案。此外，在MIMO模式的情况下，如果是能够获得足够的多路径的环境，则能够确保良好的通信，因此并不是相关系数越低越好，只要低于某个固定的相关系数即可。
另一方面，在是低SINR环境且角度扩展σp小的环境(即，不能获得足够的多路径的环境)的情况下，通过以适于BF模式的传输的指向性图案来传输信息，能够提高信道容量。BF模式是利用指向性朝向最大增益方向的多个天线同时传输相同信息的方式，因此优选多个天线间的相关系数高且多个天线的合成增益的最大值高。因而，适于BF模式的传输的指向性图案是多个天线间的相关系数高且多个天线的合成增益高的指向性图案。
例如，在图4中示出了在低SINR环境中，对于天线间的相关系数互不相同且相关系数低的5个指向性图案和相关系数高的5个指向性图案的合计10个天线对，在BF模式下进行传输时的信道容量的模拟数据。图4是示出将水平面内的角度扩展σp的假定值设定为10°的情况下的SINR与信道容量的关系的模拟数据。如图4所示，在低SINR环境中，天线间的相关系数高时的BF模式下的信道容量比天线间的相关系数低时的BF模式下的信道容量大。
另外，能够用秩来评价水平面内的角度扩展σp。秩(rank)是与测定时间点的信道状况相应地成为最大的数据速率的秩指示符(RankIndicator：RI)的值，表示能够并行传输的信号序列数。即，在水平面内的角度扩展σp宽的状态时，能够并行传输的信号序列数增加，秩变高。相反地，在水平面内的角度扩展σp窄的状态时，能够并行传输的信号序列数减少，秩变低。
此外，秩能够如下那样计算出。在LTE系统中，能够使用从基站发送的ReferenceSignals(参考信号)来推定信道。根据所推定出的该信道矩阵来导出相关矩阵，并计算该相关矩阵的阶数(秩)。
因而，控制器31优选根据与由多个天线得到的接收信号有关的SINR的测定值和秩的测定值，并基于例如表1的关系来选择对天线11、12设定的指向性图案。
[表1]
表1是示出控制器31的指向性图案的选择方法的一例的表。例如通过信号处理电路30来测定SINR和秩。
例如在SINR的测定值为规定的阈值TH1以上且秩的测定值为2以上的情况下，控制器31选择与指向性群A或C相比天线11、12间的相关性低的指向性图案(指向性群D)。如果秩的测定值为2以上，则能够推定为是包围移动体的实际的环境为角度扩展σp例如超过30°的环境(即，能够获得足够的多路径的环境)。因而，通过以这种方式进行选择，则能够在高SINR环境且角度扩展σp大的环境(即，能够获得足够的多路径的环境)中选择适于MIMO空间多路复用模式下的传输的指向性图案，能够提高信道容量。
另一方面，例如在SINR的测定值小于阈值TH2且秩的测定值为1的情况下，控制器31选择与指向性群D或B相比天线11、12间的相关性高且天线11、12的合成增益的最大值高于规定的增益值G1的指向性图案(指向性群A)。如果秩的测定值是1，则推定为是包围移动体的实际的环境为角度扩展σ例如为30°以下的环境(即，不能获得足够的多路径且信号也弱的环境)。因而，通过以这种方式进行选择，能够在低SINR环境且角度扩展σp小的环境(即，不能获得足够的多路径且信号也弱的环境)中选择适于BF模式下的传输的指向性图案，能够提高信道容量。阈值TH2既可以是与阈值TH1相同的值，也可以是与阈值TH1不同的值。
另外，例如在SINR的测定值为规定的阈值TH3以上且秩的测定值为1的情况下，控制器31可以选择与指向性群D或B相比天线11、12间的相关性高的指向性图案(指向性群C)。多用户MIMO模式(SDMA(Space-DivisionMultipleAccess)模式)是在一个基站处多个终端在同一时刻使用同一频率的传输方式，因此优选多个天线间的相关系数高。因而，通过以这种方式进行选择，能够在高SINR环境且角度扩展σp小的环境(即，不能获得足够的多路径但信号强的环境)中选择适于多用户MIMO模式(SDMA模式)下的传输的指向性图案，能够提高信道容量。阈值TH3既可以是与阈值TH1相同的值，也可以是与阈值TH1不同的值。
另外，例如在SINR的测定值小于规定的阈值TH4且秩的测定值为2以上的情况下，控制器31可以选择与指向性群A或C相比天线11、12间的相关性低且天线11、12的合成增益的最大值高于规定的增益值G2的指向性图案(指向性群B)。发送分集模式是选择多个天线中的增益高的天线或者将各接收信号进行合成并传输的方式，因此优选多个天线间的相关系数低且多个天线的合成增益的最大值高。因而，通过以这种方式进行选择，能够在低SINR环境且角度扩展σp大的环境(即，能够获得某种程度的多路径但信号弱的环境)中选择适于发送分集模式下的传输的指向性图案，能够提高信道容量。阈值TH4既可以是与阈值TH1相同的值，也可以是与阈值TH1不同的值。增益值G2既可以是与增益值G1相同的值，也可以是与增益值G1不同的值。
<指向性图案候选的制作例1>
分别属于多个指向性群A、B、C、D的指向性图案是预先存储在存储器32中的指向性图案候选。接着，对预先存储在存储器32中的指向性图案候选的制作例进行说明。
图5和图6是示出用于制作预先存储在存储器32中的指向性图案候选(换句话说，是能够对天线11、12分别设定的指向性图案)的指向性模型图案的形状例的图案图。各图概念性地示出设置有天线11、12的平面内的特定的极化波成分、例如XY平面内的垂直极化波成分的指向性图案。
决定图示的各指向性模型图案的形状的图案数据是预先制作出的数据，在本发明的实施方式中，使用了天线11、12分别是阵列天线的阵列天线模型。此外，关于天线11、12各自的指向性控制，可以是基于利用无馈电元件的指向性控制方法的模型、基于利用阻抗控制元件的方法或者机械的控制方法的模型。
具体地说，制作指向性图案互不相同的8个阵列天线模型1～8，并制作将阵列天线模型1～8中的2个阵列天线模型组合而得到的64个天线对。这两个阵列天线模型分别相当于天线11的天线模型和天线12的天线模型。而且，使构成64个天线对中的各天线对的2个天线模型各自的主波束的方向变化7次(-90°、-60°、-30°、0°、30°、60°、90)。由此，能够对64个天线对分别制作28(＝7+1C2)个指向性图案。因而，能够预先制作1792(＝64×28)个指向性模型图案。
然后，将1792个指向性模型图案中的能够获得规定的信道容量(例如，从上位数的10个信道容量)的指向性模型图案选定为预先存储在存储器32中的指向性图案候选即可。
例如，在将传输模式设定为MIMO空间多路复用模式、将SINR的假定值设定为规定的阈值TH1以上且将秩的假定值设定为2以上的模型环境ED中，从1792个指向性模型图案中选定属于指向性群D的指向性图案候选。在模型环境ED中，将规定的信道容量以上的指向性模型图案选定为属于指向性群D的指向性图案候选。此外，如果从天线11、12间的相关系数低于规定值的指向性模型图案中选定，则效率高而优选。
另外，例如在将传输模式设定为BF模式、将SINR的假定值设定为小于规定的阈值TH2且将秩的假定值设定为1的模型环境EA中，从1792个指向性模型图案中选定属于指向性群A的指向性图案候选。在模型环境EA中，将规定的信道容量以上的指向性模型图案选定为属于指向性群A的指向性图案候选。此外，如果从天线11、12间的相关系数高于规定值且天线11、12的合成增益高于规定的增益值G1的指向性模型图案中选定，则效率高而优选。
另外，例如在将传输模式设定为多用户MIMO模式(SDMA模式)、将SINR的假定值设定为规定的阈值TH3以上且将秩的假定值设定为1的模型环境EC中，从1792个指向性模型图案中选定属于指向性群C的指向性图案候选。在模型环境EC中，将规定的信道容量以上的指向性模型图案选定为属于指向性群C的指向性图案候选。此外，如果从天线11、12间的相关系数高于规定值的指向性模型图案中选定，则效率高而优选。
另外，例如在将传输模式设定为发送分集模式、将SINR的假定值设定为小于规定的阈值TH4且将秩的假定值设定为2以上的环境EB中，从1792个指向性模型图案中选定属于指向性群B的指向性图案候选。在模型环境EB中，将规定的信道容量以上的指向性模型图案选定为属于指向性群B的指向性图案候选。此外，如果从天线11、12间的相关系数低于规定的系数值且天线11、12的合成增益高于规定的增益值G2的指向性模型图案中选定，则效率高而优选。
[表2]
表2是例示了属于预先存储在存储器32中的指向性群A的指向性图案候选的表。形状图案A1、A2、A3、A4是从1792个指向性模型图案中如上所述那样选定的4个指向性模型图案。并且，角度图案A1-1、A1-2、···A1-12各自具有形状彼此相同且仅峰值增益方向互不相同的形状图案。例如，形状图案A1具有每隔30°峰值增益方向不同的12个角度图案A1-1、A1-2、···A1-12。因而，在表2的情况下，48(＝12×4)个指向性图案被预先存储在存储器32中，来作为属于指向性群A的指向性图案候选。
与属于指向性群A的指向性图案候选同样地，分别属于其它指向性群B、C、D的指向性图案候选也被预先存储在存储器32中。
<指向性图案的选择和设定>
例如在选择属于指向性群A的指向性图案候选来作为对天线11、12设定的指向性图案的情况下，控制器31需要在属于所选择出的指向性群A的指向性图案候选中确定最佳的指向性图案。在该情况下，控制器31对天线11、12分别依次设定属于所选择出的指向性群A的指向性图案候选。信号处理电路30对每次设定属于指向性群A的各指向性图案候选时的天线11、12的接收信号的SINR进行测定。控制器31将属于所选择出的指向性群A的指向性图案候选中的SINR的测定值最大的指向性图案选择为对天线11、12设定的指向性图案。由此，能够对天线11、12设定在当前的环境中能够获得最高信道容量的指向性图案。
选择属于其它指向性群B、C、D的指向性图案候选来作为对天线11、12设定的指向性图案的情况也同样。
图7是示出由天线指向性控制系统10实施的指向性图案的选择方法的一例的流程图。
在步骤S10中，当通过输入电源来启动无线通信装置100时，控制器31选择预先存储在存储器32中的基准指向性图案，指向性控制电路21、22对天线11、12设定所选择出的基准指向性图案。
在步骤S20中，信号处理电路30对由被设定了基准指向性图案的天线11、12得到的接收信号的SINR进行测定。在步骤S30中，在SINR的测定值相对于上次的测定值变动了规定的变动幅度以上的情况下，实施步骤S40，在SINR的测定值相对于上次的测定值没有变动规定的变动幅度以上的情况下，再次实施步骤S20。
在步骤S40中，控制器31判定SINR的测定值是否为规定的阈值以上，在SINR的测定值为规定的阈值以上的情况下，实施步骤S50，在SINR的测定值小于规定的阈值的情况下，实施步骤S250。
在步骤S50中得到的秩的测定值为2以上的情况下，控制器31将适于MIMO空间多路复用模式的指向性群D选择为对天线11、12设定的指向性图案(步骤S70)。此时，控制器31对天线11、12依次设定与表2同样地被预先存储在存储器32中的指向性群D的形状图案D1、D2、D3、D4中的例如峰值增益方向0°的角度图案D1-1～D4-1，并对每次设定各角度图案D1-1～D4-1时的天线11、12的接收信号的SINR进行测定。控制器31将属于所选择出的指向性群D的角度图案D1-1～D4-1中的、SINR的测定值最大的角度图案所属的形状图案决定为对天线11、12设定的虚拟的指向性图案。
例如，设为在步骤S70中决定的虚拟的指向性图案是形状图案D1。在步骤S80中，控制器31进行使在步骤S70中选择出的形状图案D1的角度变化的角度扫描，并确定SINR的测定值最大的指向性图案。
例如，控制器31进行如下的角度扫描：对天线11、12依次设定属于与表2同样地被预先存储在存储器32中的形状图案D1的多个角度图案(例如，形状彼此相同且仅峰值增益方向互不相同的12个角度图案D1-1～D1-12)。信号处理电路30对每次设定属于形状图案D1的各角度图案D1-1～D1-12时的天线11、12的接收信号的SINR进行测定。控制器31将属于所选择出的形状图案D1的角度图案中的、SINR的测定值最大的角度图案确定为对天线11、12设定的指向性图案。
此外，在MIMO空间多路复用模式的情况下，假定能够获得足够的多路径的秩为2以上而水平面内的角度扩展σp宽，因此可以省略步骤S80的角度扫描。
在步骤S90中，指向性控制电路21、22对天线11、12设定所确定的角度图案。由此，能够在当前的环境中对天线11、12设定能够获得最高的信道容量的指向性图案。在步骤S90之后，在步骤S100中返回到步骤S20，再次执行步骤S20的处理。
另一方面，在步骤S50中得到的秩的测定值小于2的情况下，控制器31将适于多用户MIMO模式(SDMA模式)的指向性群C选择为对天线11、12设定的指向性图案(步骤S170)。步骤S180至S200的处理是与步骤S80至S100相同的处理，因此省略步骤S180至S200的说明。
另一方面，在步骤S250中得到的秩的测定值为2以上的情况下，控制器31将适于发送分集模式的指向性群B选择为对天线11、12设定的指向性图案(步骤S270)。步骤S280至S300的处理是与步骤S80至S100相同的处理，因此省略步骤S280至S300的说明。
同样地，在步骤S250中得到的秩的测定值小于2的情况下，控制器31将适于BF模式的指向性群A选择为对天线11、12设定的指向性图案(步骤S370)。步骤S380至S400的处理是与步骤S80至S100相同的处理，因此省略步骤S380至S400的说明。
<指向性图案候选的制作例2>
上述的制作例1是基于计算机上的天线模型来制作指向性图案候选的例子。制作例2是基于多个指向性图案来制作被预先存储在存储器32中的指向性图案候选的例子，多个指向性图案是使用实际制作出的天线和控制该天线的指向性的控制电路而得到的。
图8是示出用于制作被预先存储在存储器32中的指向性图案候选的指向性图案的形状例的图案图。图8概念性地示出了设置有实际制作出的天线11、12的平面内的特定的极化波成分，例如XY平面内的垂直极化波成分的指向性图案。
图8示出7个指向性图案，这7个指向性图案是通过由控制电路控制天线的指向性以使主波束的方向互不相同而得到的。主波束的方向是具有-90°至90°的不同方向的7个方向。这7个指向性图案能够应用于方式彼此相同的各天线11、12，由此能够获得通过天线11、12的指向性控制所能够生成的28(＝7+1C2)个合成指向性图案。
图9是表示利用基于指向性图案的测定数据的天线间的相关系数互不相同的4个指向性图案、对于5个角度扩展σp以MIMO模式进行传输时的SINR下的信道容量的分析数据的一例的曲线图。图10是表示利用基于指向性图案的测定数据的天线间的相关系数互不相同的4个指向性图案、对于5个角度扩展σp以BF模式进行传输时的SINR下的信道容量的分析数据的一例的曲线图。图9、图10示出水平面内的角度扩展σp为10°、30°、50°、100°、200°这5种情况。
在图9、图10中，“Dir#1Dir#7”表示对天线11设定图8示出的指向性图案Dir#1且对天线12设定指向性图案Dir#7时的分析数据。“Dir#3Dir#6”、“Dir#4Dir#5”、“Dir#1Dir#1”也是相同的含义。天线11、12间的相关系数按“Dir#1Dir#7”、“Dir#3Dir#6”、“Dir#4Dir#5”、“Dir#1Dir#1”顺序升高。
被设定了这4个指向性图案的天线11、12间的相关系数是使平均到达角mp在0°到350°之间以10°为间隔变化36次、并基于式3对这些平均到达角分别计算出的相关系数的平均值。
[式3]
上述式1是仅考虑了垂直极化波的简化式，但式3是考虑了垂直极化波和水平极化波双方的式子。XPR表示交叉极化波电力比，Eθn(Ω)E*θn(Ω)、表示天线的复数电场指向性(n＝1、2)。Pθ(Ω)、表示到达波的角度分布，β表示波数，x表示天线间的相位差。θ表示仰角，表示水平面内的方位角。Ω表示球面坐标系中的坐标点关于式3的详细内容，例如详细参照非专利文献3。
另外，关于图9、图10中的信道容量，使水平面内的平均到达角mp在0°到350°之间以10°为间隔变化，并计算36个平均信道容量，该图9、图10中的信道容量表示它们中的最大值(最大信道容量)。
如图9所示，在MIMO模式下进行传输的情况下，相关系数越低的天线的组合越能够提高信道容量。而且，角度扩展σp越大的环境(即，越能够获得足够的多路径的环境)越能够提高信道容量。
另一方面，如图10所示，在BF模式下进行传输的情况下，相关系数越高的天线的组合越能够提高信道容量。而且，角度扩展σp越小的环境(即，越不能获得足够的多路径的环境)越能够提高信道容量。
图11是表示在MIMO模式和BF模式下进行传输时的、SINR和信道容量的分析数据的一例的曲线图。图11示出水平面内的角度扩展σp为10°、30°、50°、100°以及200°这5种情况。图11所示的MIMO模式的分析数据示出以在图8中获得的28个合成指向性图案中的按相关系数从低到高的顺序拾取的5个指向性图案进行传输的情况。图11所示的BF模式的分析数据示出以在图8中获得的28个合成指向性图案中的按相关系数从高到低的顺序拾取的5个指向性图案进行传输的情况。
例如，以这种方式拾取的5个指向性图案作为指向性图案候选被存储到存储器32中。另外，水平面内的角度扩展σp越大，秩越高。
因而，根据图11，例如在SINR的测定值为规定的第一阈值th1以上且秩的测定值为规定的第二阈值th2以上的情况下，控制器31通过使用上述5个低相关性的指向性图案中的任一个指向性图案在MIMO模式下进行传输，能够提高信道容量。
另外，例如在SINR的测定值小于规定的第一阈值th1且秩的测定值小于规定的第二阈值th2的情况下，控制器31通过使用上述5个高相关性的指向性图案中的任一个指向性图案在BF模式下进行传输，能够提高信道容量。
以上，通过实施方式例对天线指向性控制系统进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式例。在本发明的范围内能够进行其他的实施方式例的一部分或者全部的组合、替换等各种变形和改良。
例如，本发明还能够应用于具有3个以上的天线的情况。
另外，将用于判别SINR的测定值的大小的阈值设定为1个且将用于判别秩的测定值的大小的阈值设定为1，由此表1中例示的指向性图案候选被分成4个指向性群。然而，也可以将用于判别SINR的测定值的大小的阈值设定为2个以上或者将用于判别秩的测定值的大小的阈值设定为2个以上，由此指向性图案候选被分成数量超过4个的指向性群。
本国际申请主张2013年8月29日申请的日本专利申请第2013-178670号的优先权，在本国际申请中引用日本专利申请第2013-178670号的全部内容。
附图标记说明
10：天线指向性控制系统；11、12：天线；21、21：指向性控制电路；30：信号处理电路；31：控制器(选择单元的一例)；32：存储器(存储装置)；100：无线通信装置。

Claims (12)

1.一种天线指向性控制系统，具备：
指向性可变的多个天线；
测定单元，其对与所述多个天线的接收信号有关的接收信号质量和信道质量进行测定；
选择单元，其根据所述接收信号质量的测定值和所述信道质量的测定值，从预先准备的多个指向性图案候选中选择对所述多个天线设定的指向性图案；以及
设定单元，其对所述多个天线设定所选择出的指向性图案。
2.根据权利要求1所述的天线指向性控制系统，其特征在于，
在所述接收信号质量的测定值为第一阈值以上且所述信道质量的测定值为第二阈值以上的情况下，所述选择单元从所述指向性图案候选中选择与在所述信道质量的测定值小于第二阈值的情况下选择的指向性图案相比所述多个天线间的相关性低的指向性图案。
3.根据权利要求1或2所述的天线指向性控制系统，其特征在于，
在所述接收信号质量的测定值小于第一阈值且所述信道质量的测定值小于第二阈值的情况下，所述选择单元从所述指向性图案候选中选择与在所述信道质量的测定值为第二阈值以上的情况下选择的指向性图案相比所述多个天线间的相关性高且所述多个天线的合成增益高于规定的增益值的指向性图案。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于，
在所述接收信号质量的测定值为第一阈值以上且所述信道质量的测定值小于第二阈值的情况下，所述选择单元从所述指向性图案候选中选择与在所述信道质量的测定值为第二阈值以上的情况下选择的指向性图案相比所述多个天线间的相关性高的指向性图案。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于，
在所述接收信号质量的测定值小于第一阈值且所述信道质量的测定值为第二阈值以上的情况下，所述选择单元从所述指向性图案候选中选择与在所述信道质量的测定值小于第二阈值的情况下选择的指向性图案相比所述多个天线间的相关性低且所述多个天线的合成增益高于规定的增益值的指向性图案。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的天线指向性控制系统，其特征在于，
所述选择单元基于在对所述多个天线分别设定从所述指向性图案候选中选择出的多个指向性图案时的所述接收信号质量的测定值，来从所述选择出的多个指向性图案中选择对所述多个天线设定的指向性图案。
7.根据权利要求6所述的天线指向性控制系统，其特征在于，
对所述多个天线设定的指向性图案是所述选择出的多个指向性图案中的所述接收信号质量的测定值最大的指向性图案。
8.根据权利要求7所述的天线指向性控制系统，其特征在于，
对所述多个天线设定的指向性图案是使所述选择出的多个指向性图案的角度变化而使所述接收信号质量的测定值最大的指向性图案。
9.根据权利要求1或2所述的天线指向性控制系统，其特征在于，
所述接收信号质量是信号与干扰加噪声比，
所述信道质量是秩，
在信号与干扰加噪声比的测定值为第一阈值以上且秩的测定值为2以上的情况下，所述选择单元从所述指向性图案候选中选择与在秩的测定值为1的情况下选择的指向性图案相比所述多个天线间的相关性低的指向性图案。
10.根据权利要求1或3所述的天线指向性控制系统，其特征在于，
所述接收信号质量是信号与干扰加噪声比，
所述信道质量是秩，
在信号与干扰加噪声比的测定值小于第一阈值且秩的测定值为1的情况下，所述选择单元从所述指向性图案候选中选择与在秩的测定值为2以上的情况下选择的指向性图案相比所述多个天线间的相关性高且所述多个天线的合成增益高于规定的增益值的指向性图案。
11.根据权利要求1或4所述的天线指向性控制系统，其特征在于，
所述接收信号质量是信号与干扰加噪声比，
所述信道质量是秩，
在信号与干扰加噪声比的测定值为第一阈值以上且秩的测定值为1的情况下，所述选择单元从所述指向性图案候选中选择与在秩的测定值为2以上的情况下选择的指向性图案相比所述多个天线间的相关性高的指向性图案。
12.根据权利要求1或5所述的天线指向性控制系统，其特征在于，
所述接收信号质量是信号与干扰加噪声比，
所述信道质量是秩，
在信号与干扰加噪声比的测定值小于第一阈值且秩的测定值为2以上的情况下，所述选择单元从所述指向性图案候选中选择与在秩的测定值为1的情况下选择的指向性图案相比所述多个天线间的相关性低且所述多个天线的合成增益高于规定的增益值的指向性图案。
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