JP2010112795A - 電波到来方向推定装置及び無線システム - Google Patents

Abstract

【課題】反射波のある環境で正しい電波到来方向の推定値を得ることができる電波到来方向推定装置及びそれを備えた無線システムを提供する。
【解決手段】指向性制御部３０を介して可変指向性アンテナ１０の指向性を所定の種類の指向性に変化させ、指向性を変化させたときの受信電力を受信電力検出部２０で検出し、受信電力格納メモリ６０に格納する。そして、変化させた所定の種類の各指向性において、基準受信電力格納メモリ４０に格納された基準電力値と受信電力格納メモリ６０に格納させた受信電力値との相関係数を算出し、算出した相関係数のうち最大相関係数に対応する角度を算出し、算出した最大相関係数と予め定めておいた相関係数の比較値とを比較し、最大相関係数が比較値よりも大きかった場合には最大相関係数に対応する角度を推定角度とし、最大相関係数が比較値以下であった場合には最大相関係数に対応する角度を推定角度としないようにする。
【選択図】図１２

Description

本発明は、電波の到来方向を推定する装置に関するものであり、特に反射波のある環境で電波の到来方向を簡便に推定する装置及びそれを備えた無線システムに関する。

従来、電波の到来方向を推定する方法として、ビームフォーマー法がある。これは、図１７（ａ）に示すように、指向性の鋭いアンテナを空間的に走査して、受信電力が最大となる方向を探す方法である。指向性の走査は、パラボラアンテナやホーンアンテナのような固定指向性のアンテナを機械的に走査する方法、若しくは、アレイアンテナの各素子の位相と振幅を電気的に変えて走査する電子制御の方法がある。

さらに、ビームフォーマー法をベースに、より高精度に方向推定を行うために、各方位角に対する既知受信電力パターンと実際の受信電力パターンとの相関係数を算出し、相関係数が最大となる方向を到来方向とする手法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２５７８２０号公報

ところが、上記方法は、直接波のみが存在する環境では精度良く方向を推定できるが、反射波のある環境では、推定誤差が発生するという問題がある。例えば、図１７（ｂ）に示すような、直接波がアンテナ中心からずれた位置で受信され、反射波がアンテナ中心で受信され、かつ、反射波の位相が直接波の位相に対し逆位相となり、さらに、反射波の振幅が直接波の振幅の１０分の１となるような状況が発生した場合、直接波と反射波は同振幅で逆位相の関係になるので、受信電力が０となってしまい、方向推定を受信電力値に頼るビームフォーマー法では推定を誤ってしまう。
本発明は、反射波のある環境で正しい電波到来方向の推定値を得ることができる電波到来方向推定装置及びそれを備えた無線システムを提供することを目的とする。

かかる問題を解決するためになされた請求項１に記載の電波到来方向推定装置（５：この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための最良の形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。）は、可変指向性アンテナ（１０）、受信電力検出手段（２０）、指向性制御手段（３０）、基準受信電力格納手段（４０）及び推定手段（５０）を備えている。

可変指向性アンテナ（１０）は、指向性を変化させることが可能なアンテナであり、受信電力検出手段（２０）は、可変指向性アンテナ（１０）で受信した信号の受信電力を検出する。また、指向性制御手段（３０）は、指向性アンテナの指向性を変化させ、基準受信電力格納手段（４０）は、可変指向性アンテナ（１０）により所定の種類の指向性で直接波のみを受信した場合の受信電力値を格納しておき、推定手段（５０）は、可変指向性アンテナ（１０）で受信した電波の到来方向を推定する、
また、推定手段（５０）は、指向性制御手段（３０）を介して可変指向性アンテナ（１０）の指向性を所定の種類の指向性に変化させ、変化させた所定の種類の各指向性において、基準受信電力格納手段（４０）に格納された基準電力値と受信電力検出手段（２０）で検出した受信電力値との相関値を算出し、算出した相関値のうち最大相関値に対応する角度を算出し、算出した最大相関値と予め定めておいた相関値の比較値とを比較し、最大相関値が比較値よりも大きかった場合には最大相関値に対応する角度を推定角度とし、最大相関値が比較値以下であった場合には最大相関値に対応する角度を推定角度としないことを特徴とする。

このような電波到来方向推定装置（５）では、反射波のある環境で正しい電波到来方向の推定値を得ることができる。以下説明する。

基準受信電力格納手段（４０）に可変指向性アンテナ（１０）により所定の種類の指向性で直接波のみを受信した場合の受信電力値を格納しておく。この場合、直接波のみを受信するには、例えば、電波暗室など反射波がない状態で電波源から放射される電波を受信する。

そして、可変指向性アンテナ（１０）を制御してアンテナの指向性を所定の種類に変化させ、各指向性において得られた受信電力値と基準受信電力格納手段（４０）に格納された受信電力値との相関値を算出し、そのうち最大相関値に対応する角度を算出する。

ところが、反射波のある環境では、相関値が最大であっても、それに対応する角度が必ずしも電波到来方向となるとは限らない。

そこで、最大相関値が予め定めておいた比較値より大きい場合にはその角度を推定角度とし、比較値以下であった場合には、その角度を推定角度としない。これは、最大相関値の値そのものが方向推定精度と関連したものであり、最大相関値が大きければ、直接波のみを受信した状態に近くなり、逆に、最大相関値が小さければ、反射波の影響を受けている状況を示しているからである。

このようにすれば、上述の推定処理のみで、反射波のある環境で正しい電波到来方向の推定値を得ることができる。ところで、基準受信電力格納手段（４０）に格納された直接波の受信電力と反射波がある状態で受信した受信電力との相関値を算出する際、受信電力を受信したときに逐次算出してもよいが、請求項２に記載のように、受信電力検出手段（２０）で検出した受信電力を格納する受信電力格納手段（６０）を備え、推定手段（５０）では、指向性制御手段（３０）を介して可変指向性アンテナ（１０）の指向性を所定の種類の指向性に変化させ、該指向性を変化させたときの受信電力を受信電力検出手段（２０）で検出し、受信電力格納手段（６０）に格納させる。

そして、変化させた所定の種類の各指向性において、基準受信電力格納手段（４０）に格納された基準電力値と受信電力格納手段（６０）に格納させた受信電力値との相関値を算出し、算出した相関値のうち最大相関値に対応する角度を算出し、算出した最大相関値と予め定めておいた相関値の比較値とを比較し、最大相関値が比較値よりも大きかった場合には最大相関値に対応する角度を推定角度とし、最大相関値が比較値以下であった場合には最大相関値に対応する角度を推定角度としないようにしてもよい。

逐次的に計算する場合には、所要メモリは少なくて済むが、処理が終わるまでは次の指向性に切り替えることが出来ない。もし、方向推定装置が自動車などの移動体に搭載されている場合は、処理によるタイムラグが発生する。従って、各指向性における受信電力を取得する位置がことなってしまう。

一方、請求項２に記載の方法であれば、所要メモリは多くなるが、処理によるタイムラグが発生しないでの、最短の時間で受信電力値を取得することができる。

ところで、実際の受信電力検出手段（２０）には、受信電力の検出限界値がある。検出限界値以下の受信電力値を用いて相関値を算出した場合、相関値の精度が低下する。そこで、請求項３に記載のように、推定手段（５０）は、受信電力検出手段（２０）で検出した受信電力値が、受信電力検出手段（２０）の検出限界値以下であった場合、相関値の算出に受信電力値を使用しないようにするとよい。

このようにすると、受信電力検出手段（２０）の検出限界値（異常値）を相関計算に使用したことによる相関値の低下を防ぐことができるので、電波到来方向の推定精度を上げることができる。

また、受信電力検出手段（２０）で受信電力を検出する際、電力検出限界値以下の受信電力が不連続に検出される場合がある。その場合には、電波到来推定結果が反射波の影響を大きく受けており、相関値の精度が低下していると考えられる。

そこで、請求項４に記載のように、推定手段（５０）は、受信電力検出手段（２０）の検出限界値以下の受信電力値が不連続に発生した場合は、最大相関値に対応する推定角度を推定しないようにするとよい。

このようにすれば、受信限界以下の受信電力（異常値）が不連続に検出された場合には、電波到来方向が推定されないので、電波到来方向の推定値が異常な値となることがなくなる。したがって、電波到来方向の推定値の精度が向上する。

ここで、「検出限界値以下の受信電力値が不連続に発生した場合」とは、例えば、図１４に示すように、指向性の所定の角度範囲内において受信電力検出手段（２０）の検出限界値以下の値が検出された後、検出限界値より大きな値が検出され、さらに、続いて、検出限界値以下の値が検出されるといったように、検出限界値以下の値の間に検出限界値より大きな値が検出される状態を意味している。

請求項５に記載の無線システム（１）は、子機（２）及び請求項１〜請求項４の何れかに記載の電波到来方向推定装置（５）を有する親機（４）を備えた無線システム（１）である。

そして、親機（４）には、子機（２）に対して送信電力を変更させる旨の指令を送信する指令手段（７０）を備え、子機（２）には、親機（４）の指令手段（７０）から送信される送信電力を変更させる旨の指令を受信して、送信電力を変更させる送信電力変更手段（８０）を備えている。

また、推定手段（５０）は、受信電力検出手段（２０）の検出限界値以下の受信電力値が発生した場合には、指令手段（７０）を介して、子機（２）に送信電力を上げる旨の指令を送信することを特徴とする。

このような無線システム（１）では、子機（２）が送信した電波が親機（４）によって受信される。その際、親機（４）に備えられた電波到来方向推定装置（５）によって送信からの電波到来方向が推定される。

その際、親機（４）の受信電力検出手段（２０）の検出限界値以下の受信電力値が発生した場合には、指令手段（７０）を介して、子機（２）に送信電力を上げる旨の指令を送信する。つまり、子機（２）からの電力が常に親機（４）の受信電力検出手段（２０）の検出限界値より大きく保たれるので、電波到来方向を正しく推定できる無線システム（１）となる。

以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
［第１実施形態］
（電波到来方向推定方法の説明）
無線システム１の構成等の説明に入る前に、無線システム１における電波到来方向の推定方法について説明する。この説明のため、図１に示すモデルを考える。これは、反射波が存在する環境として、両側がコンクリート壁となっている道路をモデル化したものであり、直線見通し環境で、位置Ａから送信された電波の到来方向を位置Ｂにおいて推定するモデルである。

到来方向推定装置で使用する指向性は、±１５度の範囲で１度刻みにヌル点を形成するものとした。可変指向性アンテナ１０は、水平面に４素子、垂直面に２素子の合計８素子のリニアアレイアンテナとし、水平面は可変指向性、垂直面は固定指向性とした。偏波は水平偏波とした。

ｋ素子リニアアレイアンテナの到来波受信モデルは図２に示すようになる。リニアアレイアンテナに対してθの角度で入射する電波は、基準点に対して、ｋ番目のアンテナ素子には、ｄ_kｓｉｎθの距離差を持って到来する。距離差を位相差として表すには２π／λを乗じれば良いので、ｋ番目の素子には２π／λ・ｄ_kｓｉｎθの位相遅れが生じる。したがって、リニアアレイアンテナ出力Ｅ_sumは、到来電波の振幅をＥ₀、ｋ番目の可変位相器の位相量をδ_kとすると以下の式１で表される。

θ方向の到来波を受信したい場合は、すべての素子において式１のｅｘｐの中身を０として同相加算となるようにすれば良いので、その位相量は以下の式２に示すように選ぶ。

ここで、素子間隔が等間隔である場合は、素子間の位相差δ_diffは、素子間隔ｄ_diffを用いると以下の式３に示すようになる。

式３において、δ_diffが正であった場合は位相を進めるように、負であった場合は位相を遅らせるように可変位相器を設定する。

今回はヌル指向性を走査するので、振幅が［１，１，１，１］、位相が［０度，０度，１８０度，１８０度］を基準に１度ずつ指向性をシフトするような位相差を与えれば良い。１度シフトするための位相差は、式３において、ｄ_diff=０．５λ、θ＝１度を代入するとδ_diff≒３．１４度となる。

一例として、−５度、０度、５度方向の指向性形成結果を図３に示す。図３において、実線が−５度方向の指向性を示し、破線が０度方向の指向性を示し、一点鎖線が５度方向の指向性を示している。

次に相関係数による方向推定について説明する。例えば、図５において、角度αから電波が到来した場合を考えると、指向性と受信電力の関係は、図５の各マーク（●、▲、■）の関係と一対一に対応する。したがって、角度αから電波が到来した場合の各指向性の受信電力は、図６に示すようになる。なお、図６において、マーク○、△、□は、それぞれ、図５の●、■、▲に対応している。

ここで、予め取得されている、推定したい方向に対応する理想的な基準電力値と図６で示される基準電力との相関は、図７（ａ）〜（ｃ）に示すような処理により得ることができる。このようにすると、図７（ａ）に示すように、相関係数が高い到来方向である角度αが電波の到来方向を示すことになる。

これを数式で表現すると次のようになる。基準受信電力格納メモリ４０には、ｉ番目の推定角度をθ_iにおける、ｊ番目の指向性の利得Ｇ（ｊ、θ_i）が格納されている（例 θ₁＝α、θ₂＝β、θ₃＝γ、ｊ＝１：指向性１、ｊ＝２：指向性２、ｊ＝３：指向性３とすると、Ｇ（２，θ₂）は指向性２のヌル点の利得になる）。ｊ番目の指向性における受信電力をＲ（ｊ）とすると、推定角度θ_iの相関係数ｒ（θ_i）は下記の式４に示すようになり、これが最大となるθ_iが電波の到来方向となる。

使用する周波数を２．４５ＧＨｚとし、図１のモデルでレイトレーシング法で解析した電波のパスを最大相関係数値で方向推定した結果を図４に示す。図４において、実線が推定角度、破線が真の到来方向、一点鎖線が相関係数を示している。また、推定角度及び真の到来方向は図４中の左側の軸（角度）で読み、相関係数は、図４中の右側の軸（相関係数）で読む。

図４に示すように反射波がある環境においては、推定に誤差が発生していることが分かる。ここで、本願発明者は、相関係数を同時にプロットした場合、誤差が大きくなる地点では相関係数が小さくなることを見いだした。

この特徴を利用すると、到来方向推定装置で推定精度を定量的に把握することができるので、推定精度の良しあしによって、その推定結果を使用するか否かを選択することができる。これを利用し、相関係数０．８８以上であった到来方向推定値のみを使用した場合の到来方向推定結果を図８に示す。到来方向推定結果選択機能を用いることで、反射波のある環境においても真の到来方向に近い値を得ることができる。

ところで、実際の無線装置では、無限小の受信電力を検出することはできない。例えば、受信パケットのＲＳＳＩを受信電力値として用いた場合、パケットを受信する受信機の最小受信感度以下の受信電力値を得ることはできず、多くの場合、最小受信電力値で一定になってしまう。このような異常値（検出限界値）を含んだまま相関処理を行うと、相関係数の低下を招いてしまう。

より具体的なものとして、図１で示したモデルの５４ｍ地点の受信電力値と相関係数で考える。５４ｍ地点の受信電力と相関係数は図９のようになり、最大相関係数の角度−５度は、ほぼ真値であり、相関係数も高い値を示している。このデータが、最小受信感度などの影響により−７６ｄＢｍでリミットされた場合は、図１０のようになり、相関係数が低下してしまう。本発明では、相関係数の高低で推定精度を把握することが特徴となるので、異常値による相関係数値の低下は好ましくない。

この問題を解決するためには、異常値を取り除いて相関係数を算出すれば良い。これを数式により表現したものを下記式５に示す。

式５中ｊは異常値を含まないインデックス、Ｍはｊの個数となる。例えば、走査した指向性が５つあった中で、２番目の指向性で受信した時の受信電力値が異常値であった場合は、ｊ＝［１，３，４，５］、Ｍ＝４となる。

異常値を取り除いて相関係数の計算を行った場合は、図１１で示すとおり相関係数の低下を防ぐことができる。

（無線システム１の構成）
次に、以上に説明した電波到来方向の推定方法を用いてシステムを構成した無線システム１について説明する。図１２は、本発明が適用された無線システム１の概略の構成を示すブロック図である。無線システム１は、図１２に示すように、子機２及び親機４からなり、親機４は、電波到来方向推定装置５と第１送受信部７０とを備えている。

電波到来方向推定装置５は、可変指向性アンテナ１０、受信電力検出部２０、指向性制御部３０、基準受信電力格納メモリ４０、推定部５０、受信電力格納メモリ６０、第１送受信部７０を備えている。

可変指向性アンテナ１０は、指向性を変化させることが可能なアンテナであり、複数のアンテナ素子１２を有するアレイアンテナと、各アンテナ素子１２の位相と振幅を変える振幅・位相調整器１４と、振幅・位相調整器１４で調整された各アンテナ素子１２の信号を合成する合成器１６で実現している。

この可変指向性アンテナ１０は、振幅・位相調整器１４を可変減衰器や可変利得アンプなどのアナログ位相器及びアナログ振幅調整器で構成し、合成器１６を電力合成器で構築すれば、いわゆるアナログビームフォーマーとなる。以後の説明では、振幅・位相調整器で使用する振幅・位相値をウエイトと呼ぶことにする。

本第１実施形態では、使用する指向性は、前述のように、±１５度の範囲で１度刻みにヌル点を形成するものとし、可変指向性アンテナ１０は、水平面に４素子、垂直面に２素子の合計８素子のアレイアンテナとし、水平面は可変指向性、垂直面は固定指向性とした。また、偏波は水平偏波とした。

受信電力検出部２０は、可変指向性アンテナ１０で受信した信号の受信電力を検出するものであり、ログアンプ等で実現することができる。また、専用のトランシーバＩＣで受信電力検出部２０を構成する場合には、トランシーバＩＣが出力するＲＳＳＩ（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒの略：受信信号強度）なども利用することができる。

指向性制御部３０は、可変指向性アンテナ１０の指向性を変化させるためのものであり、各振幅・位相調整器１４に対し、各アンテナ素子１２の位相及び振幅を変化させる指令を出力することにより、可変指向性アンテナ１０の指向性を変化させる。

基準受信電力格納メモリ４０は、可変指向性アンテナ１０により所定の種類の指向性で直接波のみを受信した場合の受信電力値を格納しておくメモリ素子やハードディスクなどの記憶装置である。

ここで、「直接波のみを受信した場合」とは、電波暗室など、反射波がないか又は反射波がごく少なく反射波の影響がほとんどない理想的な環境で直接波を受信した場合を意味する。

受信電力格納メモリ６０は、受信電力検出部２０で検出した受信電力を格納するメモリ素子やハードディスクなどの記憶装置である。

第１送受信部７０は、推定部５０からの指令を受け、可変指向性アンテナ１０を介して、子機２に対して送信電力を変更させる旨の指令を送信する。第１送受信部７０は、推定部５０からの指令を高周波に変換し、可変指向性アンテナ１０を介して子機２に送信する機能を有する送受信機であり、図示しない高周波発振器、高周波増幅器、変調器、復調器、バンドパスフィルタなどを備えている。

推定部５０は、可変指向性アンテナ１０で受信した電波の到来方向を推定するものであり、ＣＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡなど計算処理が行えるデバイス及びＲＯＭ、ＲＡＭなどの記憶デバイスあるいはＩ／Ｏで実現されている。

推定部５０は、ＲＯＭなどに格納されたプログラムなどにより以下の（ア）〜（オ）に示す処理を実行する。

（ア）指向性制御部３０を介して可変指向性アンテナ１０の指向性を所定の種類の指向性に変化させる。

（イ）指向性を変化させたときの受信電力を受信電力検出部２０で検出し、受信電力格納メモリ６０に格納する。

（ウ）変化させた所定の種類の各指向性において、基準受信電力格納メモリ４０に格納された基準電力値と受信電力格納メモリ６０に格納させた受信電力値との相関係数を算出し、算出した相関係数のうち最大相関係数に対応する角度を算出する。

（エ）算出した最大相関係数と予め定めておいた相関係数の比較値とを比較し、最大相関係数が比較値より大きいか否かを判定する。

（オ）最大相関係数が比較値よりも大きかった場合には最大相関係数に対応する角度を推定角度とし、最大相関係数が比較値以下であった場合には最大相関係数に対応する角度を推定角度としない。

子機２は、アンテナ９０、第２送受信部９２、送信電力変更部８０を備えている。

アンテナ９０は、ロッドアンテナや子機２に内蔵されたパッチアンテナなどのアンテナである。また、第２送受信部９２は、アンテナ９０で受信した親機４からの指令電波をデータに変換する機能を有する送受信機であり、図示しない高周波発振器、高周波増幅器、変調器、復調器、バンドパスフィルタなどを備えている。

送信電力変更部８０は、アンテナ９０及び第２送受信部９２を介して、親機４の第１送受信部７０から可変指向性アンテナ１０を介して送信される送信電力を変更させる旨の指令を受信し、第２送受信部９２の送信電力を変更させるものである。

（推定処理）
次に推定部５０で実行される推定処理について図１３に基づき説明する。図１３は、推定処理の流れを示すフローチャートである。なお、ここでは、図５に示す角度α、β、γにヌル点を有する３つの指向性を用いて説明する。

推定処理では、まず、Ｓ１００において、可変指向性アンテナ１０の指向性が変更される。つまり、可変指向性アンテナ１０の指向性を形成するためのウエイトを振幅・位相調整器１４へ出力する旨の指令が指向性制御部３０へ出力される。

続くＳ１０５では、受信電力検出部２０から受信電力が取得され、続くＳ１１０では、Ｓ１０５において取得された受信電力が、受信電力検出部２０の最小受信感度以上であるか否かが判定される。

そして、受信電力が最小受信感度以上である場合（Ｓ１１０：Ｙｅｓ）、処理がＳ１１５へ移行され、最小受信感度より低い場合（Ｓ１１０：Ｎｏ）、処理がＳ１２０へ移行される。

Ｓ１１５では、Ｓ１０５において取得された受信電力が受信電力格納メモリ６０に格納され、続くＳ１２０では、全指向性（本第１実施形態では、３種類の指向性α、β、γ）に対して受信電力が格納されたか否かが判定される。

そして、全指向性に対して実行されたと判定された場合（Ｓ１２０：Ｙｅｓ）、処理がＳ１２５へ移行され、実行されていないと判定された場合（Ｓ１２０：Ｎｏ）、処理がＳ１００へ戻され、全指向性に対して受信電力の格納が実行される。

Ｓ１２５では、相関係数及び推定電波到来角度が算出される。つまり、Ｓ１１５において受信電力格納メモリ６０に格納された各指向性における受信電力と基準受信電力格納メモリ４０に格納された各指向性に対応する基準受信電力との間の相関係数が算出される。

前述のように、図５において、角度αから電波が到来した場合を考えると、指向性と受信電力の関係は、図５の各マーク（●、▲、■）の関係と一対一に対応する。したがって、角度αから電波が到来した場合の各指向性の受信電力は、図６に示すようになる。

そして、基準受信電力格納メモリ４０には、推定したい方向に対応するアンテナの理想的な基準受信電力が格納されている。従って、相関係数の算出では、図７（ａ）〜（ｃ）に示すような処理が行われることになるため、図７（ａ）に示すように、相関係数が高い到来方向である角度αが電波の到来方向の推定角度となる。

続くＳ１３０では、Ｓ１２５おいて算出された相関係数が所定の値以上か否かが判定される。そして、相関係数が所定の値以上であると判定された場合（Ｓ１３０：Ｙｅｓ）、処理がＳ１３５へ移行され、Ｓ１２５において算出された角度が電波到来方向の推定角度とされ推定処理が終了される。

一方、相関係数が所定の値未満であると判定された場合（Ｓ１３０：Ｎｏ）、処理がＳ１４０へ移行され、Ｓ１２５において算出された角度が電波到来方向の推定角度とされないで推定処理が終了される。

（無線システム１の特徴）
以上に説明した無線システム１では、可変指向性アンテナ１０の指向性を所定の種類に変化させ、各指向性において得られた受信電力値と基準受信電力格納メモリ４０に格納された受信電力値との相関係数を算出し、そのうち最大相関係数に対応する角度を算出している。

ところが、反射波のある環境では、相関係数が最大であれば、それに対応する角度が必ず電波到来方向となるとは限らないので、推定精度の良し悪しを判断するために、予め比較値を定めておき、最大相関係数がその比較値よりも大きい場合には、その最大値に対応する角度を電波到来方向の推定値とし、最大相関係数がその比較値以下である場合には、その角度を電波到来方向の推定値とはしないようにしている。

このような推定処理のみで、反射波のある環境で正しい電波到来方向の推定値を得ることができる。

また、可変指向性アンテナ１０の指向性を変化させたときの受信電力を受信電力検出部２０で検出し、受信電力格納メモリ６０に格納する。そして、基準受信電力格納メモリ４０に格納された基準電力値と受信電力格納メモリ６０に格納した受信電力値との相関係数を算出と最大相関係数に対応する角度を推定角度としている。

つまり、各指向性において受信した受信電力を受信電力格納メモリ６０に格納した後、一括で相関係数の計算を行う。これにより、計算処理によるタイムラグを無くして、最短時間で受信電力値を取得することができる。

また、実際の受信電力検出部２０には、受信電力の最小受信感度（検出限界値）がある。最小受信感度以下の受信電力値を用いて相関係数を算出した場合、相関係数の精度が低下するが、受信電力の最小受信感度以下の受信電力の場合には、その相関係数を用いていない。したがって、受信電力検出部２０の最小受信感度（異常値）を相関計算に使用したことによる相関係数の低下を防ぐことができるので、電波到来方向の推定精度を上げることができる。
［第２実施形態］
次に、第１実施形態の無線システム１において、受信電力検出部２０の最小受信感度以下の受信電力値が図１４に示すように不連続に発生した第２実施形態について説明する。

ここで、「最小受信感度以下の受信電力値が不連続に発生した場合」とは、図１４に示すように、指向性の所定の角度範囲内において受信電力検出部２０の最小受信感度以下の値が検出された後、最小受信感度より大きな値が検出され、さらに、続いて、最小受信感度以下の値が検出されるといったように、最小受信感度以下の値の間に、最小受信感度より大きな値が検出される状態を意味している。

図１４に示されるような最小受信感度以下の受信電力値が不連続に発生する電波環境では、反射波の影響を大きく受けているので、電波到来方向の推定精度が悪い。

第２実施形態では、無線システム１の構成は第１実施形態のものと同じであり、推定処理の一部が異なるだけであるので、図１５に示すフローチャートに基づき説明する。図１５は、第２実施形態における推定処理の流れを示すフローチャートである。図１５では、図１３における同じ処理には同じステップ番号を付し、説明を省略する。

第２実施形態の場合、図１５に示すように、Ｓ１２０において、全指向性（本第１実施形態では、３種類の指向性α、β、γ）に対して受信電力の格納が実行されたと判定された場合（Ｓ１２０：Ｙｅｓ）、処理がＳ１２５へ移行される代わりに、処理がＳ１２２へ移行される。

Ｓ１２２では、Ｓ１１５において受信電力格納メモリ６０に格納された受信電力に最小受信感度以下の不連続部分があるか否かが判定される。そして、不連続部分があると判定された場合（Ｓ１２２：Ｙｅｓ）、処理が終了され、不連続部分がないと判定された場合（Ｓ１２２：Ｎｏ）、処理がＳ１２５へ移行される。

このような無線システム１では、受信電力検出部２０において最小受信感度以下の受信電力（異常値）が不連続に検出された場合には、電波到来方向が推定されないので、電波到来方向の推定値が異常な値となることがなくなる。したがって、電波到来方向の推定値の精度が向上する。
［第３実施形態］
次に、第１実施形態の無線システム１において、受信電力検出部２０の最小受信感度以下の電力値が発生した場合、子機２に対し、送信電力を上昇させるようにした第３実施形態について説明する。

第３実施形態では、無線システム１の構成は第１実施形態のものと同じであり、推定処理の一部が異なるだけであるので、図１６に示すフローチャートに基づき説明する。図１６は、第３実施形態における推定処理の流れを示すフローチャートである。図１６では、図１３における同じ処理には同じステップ番号を付し、説明を省略する。

この場合、図１６に示すように、Ｓ１１０において、受信電力が最小受信感度より低いと判定された場合（Ｓ１１０：Ｎｏ）、Ｓ１１４において第１送受信部７０に対し子機２の送信電力を上昇させる旨の指令が出力される。

このような無線システム１では、受信電力検出部２０において最小受信感度の受信電力（異常値）が検出された場合には、第１送受信部７０を介して、子機２に送信電力を上げる旨の指令が送信される。その結果、子機２からの電力が常に親機４の受信電力検出部２０の最小受信感度より大きく保たれるので、電波到来方向を正しく推定できるようになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。

（１）上記実施形態では、受信電力検出部２０で検出した受信電力値を受信電力格納メモリ６０に格納した後に、格納した受信電力値と基準受信電力格納メモリ４０に格納してある基準受信電力との相関係数を算出していたが、受信電力検出部２０で検出した受信電力を受信電力格納メモリ６０に格納せず、基準受信電力格納メモリ４０に格納してある基準電力との相関係数を逐次算出するようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、相関係数の算出をＣＰＵで行っていたが、ＤＳＰやＦＰＧＡなどの計算に適した素子で相関係数の算出を行えば、相関係数の算出時間を短くすることができる。

（３）上記実施形態では、無線システム１で用いる偏波は水平偏波としたが、垂直偏波や円偏波であっても同じ効果を得ることができる。

（４）また、上記実施形態では、図５に示す指向性を用いたが、この形状を有する指向性に限定されるものではく、他の形状を有する指向性であってもよい。

反射波が存在する環境を示すモデル図である。 ｋ素子リニアアレイアンテナの到来波受信モデルを示す図である。 −５度（α）、０度（β）、５度（γ）方向の指向性形成結果を示す図である。 レイトレーシング法で解析した電波のパスを最大相関係数値で方向推定した結果を示す図である。 角度α、β、γ方向の指向性形成結果を示す図である。 角度αから電波が到来した場合の各指向性の受信電力を示す図である。 推定したい方向に対応する理想的な基準電力値と図６で示される基準電力との相関を得るための処理の内容を示す図である。 相関係数０．８８以上であった到来方向推定値のみを使用した場合の到来方向推定結果を示す図である。 図１で示したモデルの５４ｍ地点の５４ｍ地点の受信電力と相関係数を示す図である。 相関係数が、最小受信感度などの影響により−７６ｄＢｍでリミットされた場合を示す図である。 異常値を取り除いて相関係数の計算を行った場合に相関係数の低下を防ぐことができることを示す図である。 無線システム１の概略の構成を示すブロック図である。 第１実施形態における推定処理の流れを示すフローチャートである。 受信電力検出部２０の最小受信感度以下の電力値が不連続に発生した場合の受信電力値を示す図である。 第２実施形態における推定処理の流れを示すフローチャートである。 第３実施形態における推定処理の流れを示すフローチャートである。 従来技術と誤差発生の要因を示した図である。

符号の説明

１…無線システム、２…子機、４…親機、５…電波到来方向推定装置、１０…可変指向性アンテナ、１２…アンテナ素子、１４…振幅・位相調整器、１６…合成器、２０…受信電力検出部、３０…指向性制御部、４０…基準受信電力格納メモリ、５０…推定部、６０…受信電力格納メモリ、７０…第１送受信部、８０…送信電力変更部、９０…アンテナ、９２…第２送受信部。

Claims (5)

1. 指向性を変化させることが可能な可変指向性アンテナと、
   前記可変指向性アンテナで受信した信号の受信電力を検出する受信電力検出手段と、
   前記指向性アンテナの指向性を変化させる指向性制御手段と、
   前記可変指向性アンテナにより前記所定の種類の指向性で直接波のみを受信した場合の受信電力値を格納しておく基準受信電力格納手段と、
   前記可変指向性アンテナで受信した電波の到来方向を推定する推定手段と、
   を備え、
   前記推定手段は、
   前記指向性制御手段を介して前記可変指向性アンテナの指向性を前記所定の種類の指向性に変化させ、
   前記変化させた所定の種類の各指向性において、前記基準受信電力格納手段に格納された基準電力値と前記受信電力検出手段で検出した受信電力値との相関値を算出し、該算出した相関値のうち最大相関値に対応する角度を算出し、
   前記算出した最大相関値と予め定めておいた相関値の比較値とを比較し、前記最大相関値が前記比較値よりも大きい場合には前記最大相関値に対応する角度を推定角度とし、
   前記最大相関値が前記比較値以下であった場合には前記最大相関値に対応する角度を推定角度としないことを特徴とする電波到来方向推定装置。
2. 請求項１に記載の電波到来方向推定装置において、
   前記受信電力検出手段で検出した受信電力を格納する受信電力格納手段を備え、
   前記推定手段は、
   前記指向性制御手段を介して前記可変指向性アンテナの指向性を前記所定の種類の指向性に変化させ、該指向性を変化させたときの受信電力を前記受信電力検出手段で検出し、前記受信電力格納手段に格納させ、
   前記変化させた所定の種類の各指向性において、前記基準受信電力格納手段に格納された基準電力値と前記受信電力格納手段に格納させた受信電力値との相関値を算出し、該算出した相関値のうち最大相関値に対応する角度を算出し、
   前記算出した最大相関値と予め定めておいた相関値の比較値とを比較し、前記最大相関値が前記比較値よりも大きかった場合には前記最大相関値に対応する角度を推定角度とし、
   前記最大相関値が前記比較値以下であった場合には前記最大相関値に対応する角度を推定角度としないことを特徴とする電波到来方向推定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電波到来方向推定装置において、
   前記推定手段は、
   前記受信電力検出手段で検出した受信電力値が、前記受信電力検出手段の検出限界値以下であった場合、前記相関値の算出に前記受信電力値を使用しないことを特徴とする電波到来方向推定装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れかに記載の電波到来方向推定装置において、
   前記推定手段は、
   前記受信電力検出手段の検出限界値以下の受信電力値が不連続に発生した場合は、前記最大相関値に対応する推定角度を推定しないことを特徴とする電波到来方向推定装置。
5. 子機及び請求項１〜請求項４の何れかに記載の電波到来方向推定装置を有する親機を備えた無線システムであって、
   前記親機には、前記子機に対して送信電力を変更させる旨の指令を送信する指令手段を備え、
   前記子機には、前記親機の指令手段から送信される送信電力を変更させる旨の指令を受信して、送信電力を変更させる送信電力変更手段を備え、
   前記推定手段は、
   前記受信電力検出手段の検出限界値以下の受信電力値が発生した場合には、前記指令手段を介して、前記子機に送信電力を上げる旨の指令を送信することを特徴とする無線システム。