JP2013055663A - アンテナのビーム形成のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適応アンテナのビーム形成方法を提供する。
【解決手段】適応アンテナが取り付けられた移動端末を初期化し、移動端末と信号を送受信する基地局を探索し、探索された基地局に基づいてビーム形成を遂行し、移動端末の基準位置値を格納し、基準位置から移動端末の位置変更が検出される場合、アンテナビーム形成を調整する。また、変更された位置を基準位置値として格納して基準位置からの端末の位置をリアルタイムに検出することによって、ビーム形成を簡単で、かつ正確に遂行することができる。
【選択図】図１

Description

本発明はアンテナのビーム形成のための装置及び方法に関し、特に、アンテナが取り付けられた機器の慣性センサを用いて基地局に対する方向をリアルタイムにチェックし、基地局の位置変化が生じる場合、ビーム形成を最適に修正できるビーム形成装置及び方法に関する。

最近、通信システムは３Ｇ及び４Ｇに進化しており、多角度に変化されるチャンネル環境によって最適のアンテナ開発も加速化されている。また、高速データ転送としてのＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）技法とエネルギー効率及び電波環境に従う最適のアンテナビーム形成技術として適応ＭＩＭＯビームフォーミング（Adaptive MIMO Beam Forming）技法が用いられている。適応アンテナアレイ（Adaptive Antenna Array）は所望の信号源から受信される信号と所望しないか干渉された信号源から受信される信号により使われ、各アンテナアレイに設置された個別アンテナに対して重み付け値を設定してビーム形成を遂行することができる。

一方、適応アンテナの効率性のために基地局から受信される信号の到着角度、位相、及び信号強度をリアルタイムに計算して最適のビーム形成を遂行するに当たっては、基地局間の通信負荷、演算時間、または演算に必要な複雑なアルゴリズムが要求される。これによって、端末の位置、位置変動に対するネットワーク網の負荷の最小化のためのビームフォーミング技術が必要である。

本発明はリアルタイムビームフォーミング形成による演算時間などを減少するために、端末に加速度センサなどを取り付けて、端末の位置変動に従ってビーム形成を遂行するようにするためのアンテナのビーム形成装置及び方法を提供することをその目的とする。

本発明の一実施形態に従う適応アンテナのビーム形成方法は、上記適応アンテナが取り付けられた移動端末を初期化するステップ、上記移動端末と信号を送受信する基地局を探索するステップ、上記探索された基地局に基づいてビーム形成を遂行するステップ、上記移動端末の基準位置値を格納するステップ、及び上記基準位置から移動端末の内部のセンシング部から位置変更が検出される場合、アンテナビーム形成を調整するステップを含む。

本発明の一実施形態に従う適応アンテナのビーム形成装置は、適応アンテナが取り付けられた移動端末を初期化する制御部、上記移動端末と信号を送受信する基地局を探索する無線通信部、及び上記移動端末の位置変更を検出するセンシング部を含み、上記無線通信部は上記探索された基地局との信号送受信に適合するようにビーム形成を遂行し、上記移動端末の位置変更に従ってアンテナビーム形成を調整する。

本発明によれば、簡単な演算及び通信を用いてアンテナのビーム形成を効率的に遂行することができるようにする。

適応アンテナのビーム形成方法を説明するためのブロック図を示す。 端末の位置変動に従うビーム形成角度を図式化している。 本発明の一実施形態に従うビーム形成装置の構成に対するブロック図を示す。 本発明の一実施形態に従うビーム形成方法に対するフローチャートを示す。

図１は適応アンテナのビーム形成方法を説明するためのブロック図を示す。図１を参照すると、適応アンテナは多数のアンテナ１１、１２、１３、１４から構成されたアンテナアレイ、アンテナから受信された信号の合成回路網１５、及び無線通信モジュール１６を含むことができる。無線通信モジュール１６は、アンテナアレイから受信された高周波信号を基底帯域信号に変換する周波数ダウンコンバータ（図示せず）、アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ、いろいろな経路を通じて到着する信号の強度、位相、及び到着角度を測定して、ビーム形成のための時空間処理を遂行し、ビーム形成アルゴリズムを適用して各アンテナに重み付け値を適用するビーム形成器を含むことができる。一方、ビーム形成器に適用される重み付け値は、各アンテナアレイを構成するアンテナ数に相応する次元のベクトルで構成されることができ、このために多様なビーム形成アルゴリズムが利用できる。本発明では、ビーム形成方法において、アンテナの位置変動を感知し、感知された位置変動量に基づいてビーム形成を修正できるビーム形成方法及びその装置を提供するようにする。本発明の一実施形態に従うビーム形成装置は、適応アンテナが取り付けられた移動端末、スマートフォン、携帯用電話、衛星電話などに全て適用できる。

図２は、端末の位置変動に従うビーム形成角度の算出を図式化している。図２を参照すると、本発明の一実施形態に従うビーム形成装置が適応アンテナが取り付けられた移動端末１００に適用される場合を例として説明する。

まず、移動端末１００は取り付けられたアンテナを用いて基地局２０の位置を探索する。移動端末１００はこれに先立って移動端末の電源がターン−オン（turn-on）された後、移動端末の各モジュールを初期化する動作を先行することができる。移動端末１００は、アンテナ、センシング部等に電源を印加し、各モジュールの状態を点検することによって、機器を初期化することができる。

次に、移動端末は基準位置（ｘ０、ｙ０、ｚ０）で基地局を探索する。機器を初期化した状態で基地局２０を探索する場合、移動端末１００を基準に基地局２０の位置は初期位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）として検索できる。移動端末１００は、初期位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）にある基地局２０を基準に基地局との信号送受信に最適化したビーム形成を遂行する。ビーム形成は前述したように、基地局の方向などに基づいて各アンテナの重み付け値ベクトルを算出することによって遂行できる。

移動端末は、最適化したビーム形成が遂行された基準位置（ｘ０、ｙ０、ｚ０）を格納する。

一方、移動端末が基地局に対して相対的な移動が発生する場合、即ち、移動端末１００と基地局との相対位置が変更される場合には、移動端末１００を基準に基地局２０の位置が変更されることと検出できる。例えば、基地局２０が初期位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）から変更位置（ｘ１＋α、ｙ１＋β、ｚ１＋γ）に移動する場合、移動端末１００は基地局２１との関係で既存のビーム形成を調整する必要が生じる。基地局の変更位置（ｘ１＋α、ｙ１＋β、ｚ１＋γ）は移動端末１００に取り付けられた慣性センサを用いて検出できる。基地局２０の位置は端末の相対的位置移動に設定され、移動端末１００を中心とする球面の上に定義できる。図２では半径がＤの球面の上に基地局が位置することと例示されている。端末の初期位置（ｘ０、ｙ０、ｚ０）は基地局の初期位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）と対置され、移動端末の相対的位置（ｘ２、ｙ２、ｚ２）は移動基地局の位置（ｘ１＋α、ｙ１＋β、ｚ１＋γ）として表現されることができ、基地局の位置が変更される場合に基地局の方向は初期位置（ｘ１、ｙ１、ｚ１）から角度θで算出できる。基地局の方向θは以下の＜数式１＞のように定義できる。

ここで球面半径（Ｄ）は１であり、慣性センサの出力値であるα、β、γは−１と１との間の値を有する。

移動端末１００は、移動端末１００の基準位置を位置（ｘ２、ｙ２、ｚ２）に更新し、更新された基準位置（ｘ２、ｙ２、ｚ２）を用いて基地局の位置を探索、基地局の位置が変更された場合には、即ち、端末の位置変動の発生時にはビーム形成を修正し、移動端末１００の基準位置をこれによって更新する一連の過程を周期的に繰り返すことができる。これで、既存の移動端末１００と基地局２０との間の信号送受信を用いたビーム形成方法と対比してビーム形成のための演算量及び演算時間を減らすことができる。

図３は、本発明の一実施形態に従うビーム形成装置の構成に対するブロック図を示す。図３を参照すると、本発明の一実施形態に従うビーム形成装置は移動端末として例示されることができ、移動端末１００は基地局と信号を送受信する無線通信部１１０、周期的に移動端末の位置変更を検出するセンシング部１２０、移動端末を初期化し、移動端末の基準位置からビーム形成角度を算出する制御部１３０、及び移動端末の基準位置及び変更位置などを格納する格納部１４０を含むことができる。

無線通信部１１０は、基地局との信号送受信のために、アンテナ部１１１、各アンテナから送受信する信号をアナログ−ディジタル（analog to digital）またはディジタル−アナログ（digital to analog）に変換するコンバータ周波数変換コンバータなどを含む信号処理部１１３、及び適応アンテナの各アンテナの重み付け値ベクトルを算出するビーム形成部１１５を含むことができる。

センシング部１２０は、移動端末の位置変更を感知するために、例えば慣性センサを含むことができる。

制御部１３０は、移動端末を初期化し、移動端末の変更された位置をリアルタイムに検出、変更位置を基準位置にしてアンテナアレイの重み付け値を算出する一連の演算を遂行することができる。

格納部１４０は、移動端末の基準位置値、アンテナアレイに含まれた各アンテナの重み付け値ベクトル、重み付け値ベクトルを算出するためのビーム形成アルゴリズムにかかるデータを格納することができる。また、移動端末の位置が変更された場合、変更位置を基準位置として更新して格納することができる。

図４は、本発明の一実施形態に従うビーム形成方法に対するフローチャートを示す。

ステップ（Ｓ１１）で、移動端末を初期化する。

ステップ（Ｓ１２）で、無線通信部が基地局を探索する。

ステップ（Ｓ１３）で、基地局が探索された場合には該当基地局を基準にして最適に信号を送受信できるようビーム形成を遂行する。

ステップ（Ｓ１４）で、最適のビーム形成が遂行された状態での移動端末の基準位置値を格納する。

ステップ（Ｓ１５）で、端末の位置が変更されたか否かをチェックする。端末の位置変更のチェックは、所定周期毎に、例えば、１ｓ毎に行なわれることができる。端末の位置が変更されていない場合には、次の周期が回ってくると、また位置変更されたか否かをチェックすることによって、リアルタイムに端末と基地局との間のビーム形成を維持するようにする。

ステップ（Ｓ１６）で、端末の変更された位置値に基づいてアンテナビーム形成を調整する。アンテナのビーム形成は変更位置を基準にして基地局間のビーム形成が一定に維持されるための各アンテナの重み付け値ベクトルを算出することを含むことができる。

ステップ（Ｓ１７）で、端末の変更された位置を基準位置値として格納する。即ち、端末の基準位置値が更新される。

ステップ（Ｓ１７）の以後に変更された位置を基準位置値として格納した以後にも、移動端末は位置変更をリアルタイムにチェックし（ステップ（Ｓ１５））、位置が変更された場合、ビーム形成を調整（ステップ（Ｓ１６））、基準位置値を更新する動作（ステップ（Ｓ１７））を繰り返すことができる。即ち、移動端末の位置変更を随時チェックしてアンテナビーム形成を調整し、変更された位置を基準位置値に更新するステップ（Ｓ１５）乃至ステップ（Ｓ１７）での動作を繰り返して遂行することができる。

ステップ（Ｓ１８）で、ステップ（Ｓ１５）で端末の位置が変更されていないと判断された場合には、既計算された重み付け値でビームパターンを形成し、基地局へのビームを送受信する。即ち、端末の位置変更のない場合には本発明の一実施形態に従うビーム形成方法を終了する。

以上、移動端末上で実行できるビーム形成方法及び装置について説明した。本発明は、前述した実施形態に限定されず、位置を検出できるセンサ及びアンテナを搭載した任意のデバイスでも実行可能である。

前述したように、本発明の一実施形態によっては簡単な演算及び通信を用いてアンテナのビーム形成を効率的に遂行することができる。

以上、実施形態に説明された特徴、構造、効果などは少なくとも１つの実施形態に含まれ、必ず１つの実施形態のみに限定されるものではない。延いては、各実施形態で例示された特徴、構造、効果などは実施形態が属する分野の通常の知識を有する者により他の実施形態に対しても組合または変形して実施可能である。したがって、このような組合及び変形に関連した内容は実施形態の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

また、以上、実施形態を中心として説明したが、これは単に例示であり、実施形態を限定するものでなく、実施形態が属する分野の通常の知識を有する者であれば、本実施形態の本質的な特性から外れない範囲で以上に例示されない多様な変形及び応用が可能であることが分かる。例えば、実施形態に具体的に表れた各構成要素は変形して実施することができる。そして、このような変形及び応用に関連した差異点は添付した請求範囲で設定する実施形態の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (16)

1. 適応アンテナのビーム形成方法であって、
   前記適応アンテナが取り付けられた移動端末を初期化するステップと、
   前記移動端末と信号を送受信する基地局を探索するステップと、
   前記探索された基地局に基づいてビーム形成を遂行するステップと、
   前記移動端末の基準位置値を格納するステップと、
   前記基準位置で移動端末の内部のセンシング部から位置変更が検出される場合、アンテナビーム形成を調整するステップと、
   を含むことを特徴とする、ビーム形成方法。
2. 前記変更された移動端末の位置を基準位置値として格納するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のビーム形成方法。
3. 前記位置変更は所定周期毎に前記移動端末に取り付けられた慣性センサを用いて検出されるようにすることを特徴とする、請求項１に記載のビーム形成方法。
4. 前記検出された位置変更値を用いて前記適応アンテナのビーム形成角度を算出するステップを含むことを特徴とする、請求項３に記載のビーム形成方法。
5. 前記アンテナビーム形成を調整するステップは、
   移動端末の移動を前記基地局が相対的に移動したことと判断することを特徴とする、請求項４に記載のビーム形成方法。
6. 前記基地局が前記移動端末を中心に球面上に位置することと判断することを特徴とする、請求項５に記載のビーム形成方法。
7. 前記ビーム形成角度は次の数式を満たすことを特徴とする、請求項６に記載のビーム形成方法。
   

   

   （Ｄは球の半径、α、β、γは慣性センサの出力値である。）
8. 前記α、β、γは−１乃至１の間の値を有することを特徴とする、請求項７に記載のビーム形成方法。
9. 適応アンテナのビーム形成装置であって、
   適応アンテナが取り付けられた移動端末を初期化する制御部と、
   前記移動端末と信号を送受信する基地局を探索する無線通信部と、
   前記移動端末の位置変更を検出するセンシング部と、を含み、
   前記無線通信部は前記探索された基地局との信号送受信に適合するようビーム形成を遂行し、前記移動端末の位置変更に従ってアンテナビーム形成を調整することを特徴とする、ビーム形成装置。
10. 前記制御部は、前記変更された移動端末の位置を基準位置値として格納することを特徴とする、請求項９に記載のビーム形成装置。
11. 前記センシング部は、所定周期毎に前記移動端末の位置変更を検出する慣性センサを含むことを特徴とする、請求項１０に記載のビーム形成装置。
12. 前記制御部は、前記検出された位置変更値を用いて前記適応アンテナのビーム形成角度を算出することを特徴とする、請求項１１に記載のビーム形成装置。
13. 前記制御部は、移動端末の移動を前記基地局が相対的に移動したことと判断することを特徴とする、請求項１２に記載のビーム形成装置。
14. 前記制御部は、前記基地局が前記移動端末を中心にして球面上に位置することと判断することを特徴とする、請求項１３に記載のビーム形成装置。
15. 前記ビーム形成角度は次の数式を満たすことを特徴とする、請求項１４に記載のビーム形成装置。
    

    

    （Ｄは球の半径、α、β、γは慣性センサの出力値である。）
16. 前記α、β、γは−１乃至１の間の値を有することを特徴とする、請求項１５に記載のビーム形成装置。

Images