JP2017118335A - 無線通信装置およびビーム制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受信側の無線通信装置の信号品質の劣化を抑制するビームを形成する。
【解決手段】複数のサブアレイ１１１が形成するビーム方向を制御し複数の端末１０２−１、１０２−２と通信する無線通信装置１０１を提供する。無線通信装置１０１は方向推定部１０３と判定値算出部１０４とビーム選択部１０５とを備える。方向推定部１０３は、複数の端末１０２−１、１０２−２が位置する方向を推定する。判定値算出部１０４は、複数の端末１０２−１、１０２−２の１つの端末にビームを向けた場合のメインローブまたはグレーティングローブの方向と他の端末の位置する方向との差の大きさに応じて算出される判定値を算出する。ビーム選択部１０５は、算出された判定値に基づいて、複数のサブアレイ１１１によるビーム形成方式を選択する。
【選択図】図５

Description

以下の開示は、無線通信装置およびビーム制御方法に関する。

高周波数帯域においては、大きな伝搬損失を補うために、アレイアンテナの複数の素子を制御しビームフォーミングが実施される。また、ビームフォーミングを実施する構成として、ハイブリッドビームフォーミングが注目を集めている。ハイブリッドビームフォーミングにおいては、複数のフェーズドアレイアンテナのそれぞれを１つのサブアレイとして扱う。複数のフェーズドアレイアンテナのそれぞれは、異なるデジタル−アナログ変換器（Ｄ／Ａ）を介してデジタル信号処理回路に接続される。

デジタルアナログ信号処理回路によりデジタルビームフォーミングを行なうことにより、或る端末に向けられたビームにより送られる無線信号が別の端末に向けられたビームにより送られる無線信号と干渉することを抑制することができる。また、受信用に、複数のフェーズドアレイアンテナのそれぞれは、異なるアナログ−デジタル変換機（Ａ／Ｄ）を介して１つのデジタル信号処理回路に接続される。

特表２０１４−５３０５３５号公報

Ｊ． Ｚｈａｎｇ， ｅｔ ａｌ．，"Ｍａｓｓｉｖｅ ｈｙｂｒｉｄ ａｎｔｅｎｎａ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，" Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， ＩＥＥＥ， Ｖｏｌ． ２２， Ｎｏ． １， ｐｐ． ７９−８７， Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１５ Ｔ． Ｋｉｍ， ｅｔ ａｌ．， "Ｔｅｎｓ ｏｆ Ｇｂｐｓ Ｓｕｐｐｏｒｔ ｗｉｔｈ ｍｍＷａｖｅ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，" ＩＥＥＥ ＧＬＯＢＥＣＯＭ， Ｄｅｃ． ２０１３

端末方向（無線通信装置の基準方向からの端末が位置する方向）の推定には誤差が発生する場合がある。誤差が発生すると、ハイブリッドビームフォーミングにおいては無線通信装置に向けられたビームにより送られる無線信号の干渉が発生し、信号品質が劣化してしまうことがある。

以上に鑑み、本開示は、受信側の無線通信装置の信号品質の劣化を抑制するビームを形成することを目的の一つとする。

一側面として、複数のサブアレイが形成するビームの方向を制御して複数の端末と通信を行なう無線通信装置を提供する。無線通信装置は、端末方向推定処理部と、判定値算出部と、ビーム形成方式選択処理部とを備える。端末方向推定部は、前記複数の端末が位置する方向を推定する。判定値算出部は、前記複数の端末のうちの１つの端末にビームを向けた場合のメインローブまたはグレーティングローブの方向と他の端末の位置する方向との差の大きさに応じて算出される判定値を算出する。ビーム形成方式選択部は、前記算出された判定値に基づいて、前記複数のサブアレイによるビーム形成方式を選択する。

一側面によれば、受信側の無線通信装置の信号品質の劣化を抑制するビームを形成することができる。

関連技術に係る無線通信装置の機能ブロック図である。 （Ａ）は、ローカライズ型のアレイアンテナの素子の配置の一例を示す図であり、（Ｂ）は、インターリーブ型のアレイアンテナの素子の配置の一例を示す図である。 関連技術に係る無線通信装置の各サブアレイが形成するビームパターンの一例を示す図である。 関連技術に係る無線通信装置の各端末宛ての無線信号が放射されるパターンの一例を示す図である。 実施形態１に係る無線通信装置の機能ブロック図である。 実施形態１に係る無線通信装置の動作を説明するフローチャートである。 実施形態１に係る無線通信装置の各サブアレイが形成するビームパターンの一例を示す図である。 実施形態１に係る無線通信装置が端末宛ての無線信号を放射するパターンの一例を示す図である。 実施形態１に係る無線通信装置による端末の方向推定精度と閾値との関係を表わすグラフの一例を示す図である。 実施形態１に係る無線通信装置によるビーム幅と閾値との関係を表わすグラフの一例を示す図である。 実施形態１に係る無線通信装置のハードウェア構成図である。 実施形態２に係る無線通信装置の機能ブロック図である。 （Ａ）は、実施形態２に係る無線通信装置の動作を説明するフローチャートであり、（Ｂ）は、実施形態２に係る無線通信装置の動作を説明するフローチャートである。 実施形態２に係る無線通信装置が端末のグループに向けてビームを形成している状態の一例を示す図である。 実施形態２に係る無線通信装置が端末のグループに向けてビームを形成している状態の一例を示す図である。 他の実施形態に係る無線通信装置の方向推定が垂直方向の偏角および水平方向偏角を用いて実施される一例を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。

（関連技術）
図１は、関連技術に関する無線通信装置１６００の機能ブロック図である。無線通信装置１６００は、素子１６１５および１６１７により形成されるサブアレイ１６０９と、素子１６１６および１６１８により形成されるサブアレイ１６１０と、局部発振器１６０６と、コンバータ１６０７および１６０８とを備える。また、無線通信装置１６００は、ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ／Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）１６０５−１および１６０５−２と、デジタルＢＦ（Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｅｒ）１６０４と、ビーム形成制御部１６０２と、デジタルＢＦ制御部１６０３と、端末方向推定部１６０１とを備える。

無線通信装置１６００は、サブアレイ１６０９とサブアレイ１６１０との合計２つのサブアレイを有するので、最大２台の通信先の無線通信装置１６００−１および１６００−２に、サブアレイにより形成されるビームを向けることができる。なお、無線通信装置１６００として基地局を想定し、無線通信装置１６００の通信相手である無線通信装置１６００−１および１６００−２を「端末」と称する場合がある。しかし、本明細書の開示の内容は、端末を通信相手とする無線通信装置に適用できることに限定はされず、基地局と通信を行なう端末を無線通信装置１６００として適用することも可能である。

なお、サブアレイの数は２に限定されない。無線通信装置１６００が有するサブアレイの数をＮとする場合、無線通信装置１６００は、Ｎ個のビームを形成することができ、したがって、Ｎ以下であり０よりも大きい自然数Ｋについて、Ｋ台の端末に対してビームを向けることができる。

図１においては、素子１６１６とサブアレイ１６１０とを結ぶ線と、素子１６１７とサブアレイ１６０９とを結ぶ線とがクロスしている。これは、サブアレイ１６０９および１６１０で形成されるアレイアンテナがインターリーブ型であることを示している。或るサブアレイに属する素子と他のサブアレイに属する素子とを互い違いに配置したアレイアンテナをインターリーブ型という。また、同じサブアレイに属する複数の素子を互いに隣接して配置したアレイアンテナをローカライズ型という。

図２（Ａ）は、４つのサブアレイを有するローカライズ型アレイアンテナ２０１の素子の配置を示す。領域２０２、２０３、２０４および２０５のそれぞれに各サブアレイに属する素子が互いに隣接して配置されている。また、図２（Ｂ）は、４つのサブアレイを有するインターリーブ型アレイアンテナ２１０の素子の配置を示す。図２（Ｂ）においては、同じハッチングを付した素子は同じサブアレイに属している。したがって、異なるサブアレイに属する素子２０６、２０７、２０８および２０９が互い違いに配置されている。

インターリーブ型のアレイアンテナは、ハイブリッドビームフォーミングにおける複数の無線通信装置に対してビームを多重するのに有効である。以下では、図面においてインターリーブ型のアレイアンテナを有する無線通信装置の構成を示し説明を行なう。しかし、本明細書に記載は、ローカライズ型のアレイアンテナを有する無線通信装置に対して適用することができる。

図１においてサブアレイ１６０９および１６１０のそれぞれは、素子１６１５、１６１７、１６１６および１６１８に接続される移相器１６１１、１６１２、１６１３および１６１４を備える。移相器１６１１、１６１２、１６１３および１６１４は、ビーム形成制御部１６０２によって制御され、素子１６１５、１６１７、１６１６および１６１８に供給される無線信号の位相を調節する。位相の調節により、アレイアンテナによるビームの形成が行われる。

コンバータ１６０７は、ＤＡＣ１６０５−１によってアナログ信号に変換されたベースバンド信号の周波数を、局部発振器１６０６の発振する発振信号の周波数にアップコンバートして無線信号を生成する。生成された無線信号は、サブアレイ１６０９に出力される。また、コンバータ１６０８は、ＤＡＣ１６０５−２によってアナログ信号に変換されたベースバンド信号の周波数を、局部発振器１６０６の発振する発振信号の周波数にアップコンバートして無線信号を生成する。生成された無線信号は、サブアレイ１６１０に出力される。

ＤＡＣ１６０５−１および１６０５−２は、デジタルＢＦ１６０４が出力するベースバンド信号をアナログ信号に変換し、コンバータ１６０７および１６０８に出力する。

デジタルＢＦ１６０４は、ベースバンド信号のそれぞれに、デジタルＢＦ制御部１６０３の制御に応じて、複素信号（ウェイト）を乗じて位相および振幅を変化させるデジタルビームフォーミングを行ない、ＤＡＣ１６０５−１および１６０５−２に出力する。

端末方向推定部１６０１は、複数の端末１６００−１および１６００−２それぞれへの基準方向からの方向（端末方向）を推定する。方向の推定は、素子１６１５、１６１６、１６１７および１６１８により形成されるアンテナまたは他のアンテナから複数の方向へ送信ビームを送信することにより行なわれる。そして、端末方向推定部１６０１は、送信ビームを受信した複数の端末１６００−１および１６００−２のそれぞれから受信される報告に基づいて、端末方向を推定する。

例えば、複数の方向へ送信される送信ビームのそれぞれには、送信ビームの方向の識別情報が含まれる。これにより、各端末１６００−１および１６００−２は、最大受信電力が得られた送信ビームの方向の識別情報を無線通信装置１６００に報告することができる。無線通信装置１６００は、端末１６００−１および１６００−２のそれぞれが最大受信電力の得られた送信ビームの送信方向に位置すると推定することができる。

また、無線通信装置１６００が各方向へ送信ビームを送信する時刻を決めておき、端末１６００−１および１６００−２のそれぞれが、どの時刻に受信された送信ビームの受信電力が最大であったかを、無線通信装置１６００に報告してもよい。

ビーム形成制御部１６０２は、端末方向推定部１６０１により推定された方向にビームを向けるように、アレイアンテナのサブアレイ１６０９および１６１０が備える移相器１６１１、１６１２、１６１３および１６１４を制御する。また、ビーム形成制御部１６０２は、デジタルＢＦ制御部１６０３に対して、それぞれのサブアレイ１６０９および１６１０から送信されるビームの方向を表わす情報を出力する。

デジタルＢＦ制御部１６０３は、端末方向推定部１６０１により推定された方向を表わす情報および、ビーム形成制御部１６０２の出力するビームの方向を表わす情報に基づいて、デジタルＢＦ１６０４を制御する。例えば、端末１６００−１が受信する無線信号が、端末１６００−２に向けられるビームの無線信号により干渉されることがないように、ベースバンド信号に乗じる複素信号（ウェイト）を制御する。ウェイトは、例えば、ゼロフォーシング法を用いて算出することができる。

無線通信装置１６００の動作は次のように説明される。第１の処理において、端末方向推定部１６０１は、端末１６００−１および１６００−２の方向を推定する。第２の処理において、ビーム形成制御部１６０２は、移相器１６１１、１６１２、１６１３および１６１４を制御し、端末１６００−１および１６００−２のそれぞれにビームを向ける。

例えば、端末１６００−１の端末方向が、基準方向に対する水平角度として−３０度の偏角の方向であり、端末１６００−２の端末方向が、基準方向に対する水平角度として１５度の偏角の方向であるとする。図３は、無線通信装置１６００の各サブアレイ１６０９および１６１０が形成するビームパターンのシミュレーション結果の一例を示す図である。シミュレーションの条件は、全アレイアンテナの素子数を１６とし、素子間隔を０．７波長とした（本明細書に示す他のシミュレーションにおいても同様である）。例えば、サブアレイ１（ｓｕｂａｒｒａｙ＃１）としてサブアレイ１６０９がグラフ９０１に示されるビームパターンを有するように制御される。また、サブアレイ２（ｓｕｂａｒｒａｙ＃２）としてサブアレイ１６１０がグラフ９０２に示されるビームパターンを有するように制御されるとする。なお、グラフ９０１において、−３０度の方向のピークをメインローブといい、１２度の方向のピークをグレーティングローブという。また、同様に、グラフ９０２において、１５度の方向のピークをメインローブといい、−２７度の方向におけるピークをグレーティングローブという。

別言すれば、メインローブは、ビームを向ける方向に形成されるピークであり、グレーティングローブは、メインローブを形成することにより、副次的に形成されるピークである。

次に、第３の処理において、デジタルＢＦ制御部１６０３が、デジタルＢＦ１６０４におけるウェイトを設定する。ウェイトの設定は、端末１６００−１において、端末１６００−２に向けられるビームにより干渉が生じないようにすることと、端末１６００−２において、端末１６００−１に向けられるビームにより干渉が生じないようにするために行われる。

第４の処理において、端末１６００−１および１６００−２に向けて無線信号を送信する。したがって、サブアレイ１６０９および１６１０により各端末１６００−１および１６００−２にビームを向けることと、デジタルビームフォーミングにより端末１６００−１および１６００−２にビームを個別に向けることと、が重畳的に行なわれる。

図４は、第４の処理において、無線通信装置１６００の放射する各端末１６００−１および１６００−２宛ての無線信号のパターンのシミュレーション結果を示す図である。グラフ１００１は、端末１６００−１に向けて送信される無線信号のパターンを示し、グラフ１００２は、端末１６００−２に向けて送信される無線信号のパターンを示す。図４に示されるように、端末１６００−１の端末方向である−３０度においては、端末１６００−２に向けて送信される無線信号の強度が０となっている。また、端末１６００−２の端末方向である１５度においては、端末１６００−１に向けて送信される無線信号の強度が０となっている。

ここで、端末方向推定部１６０１による推定に誤差がある場合がある。誤差が生じる原因としては、例えば、端末の方向を推定するための送信ビームを走査する際に、送信ビームの送信方向の角度が離散的であることが挙げられる。例えば、最小ステップ角度を単位として走査が行われると、最小ステップ角度程度の誤差が発生する。また、端末方向の推定後の端末１６００−１および１６００−２の移動や、アレイアンテナの製造時の誤差などによるものもある。

このため、例えば、端末１６００−２の端末方向が、推定された方向である１５度ではなく、実際には、１１度であったとすると、符号１００５に示されるように、端末１６００−１へ送信される無線信号の強度が０でなくなり、干渉が発生する。すなわち、端末１６００−２が実際に位置する方向において、端末１６００−２へ送信される無線信号と端末１６００−１へ送信される無線信号とが干渉し、端末１６００−２の受信品質、例えば、ＳＩＮＲが劣化することになる。

そこで、以下においては、端末の方向の推定に誤差が生じても、端末の受信品質の劣化を抑制する技術について説明する。

（実施形態１）
図５は、実施形態１に係る無線通信装置１０１の機能ブロック図である。無線通信装置１０１は、複数の素子１１３により形成される複数のサブアレイ１１１と、局部発振器１１０−１と、コンバータ１１０と、複数のＤＡＣ１０９とを備える。また、無線通信装置１０１は、デジタルＢＦ１０８と、端末方向推定部１０３と、選択判定値算出部１０４と、ビーム形成方式選択部１０５と、ビーム形成制御部１０６と、デジタルＢＦ制御部１０７とを備える。

無線通信装置１６００は、図５の例において、２つのサブアレイ１１１を有するので、最大２台の端末１０２−１および１０２−２のそれぞれに向けて、ビームを形成することができる。本明細書の開示の内容は、端末を通信相手とする無線通信装置に適用できることに限定されず、基地局と通信を行なう端末を無線通信装置として適用することも可能である。

サブアレイの数は２に限定されない。上述の関連技術と同様に、無線通信装置１０１がＮ個のサブアレイを備える場合、Ｎ個のビームを形成することができ、したがって、Ｎ以下であり０よりも大きい自然数Ｋに対して、Ｋ台の端末に対して形成したビームを向けることができる。

図５においては、一部の素子１１３と２つのサブアレイ１１１とを結ぶ線がクロスしている。これは、上述の関連技術と同様に、２つのサブアレイ１１１で形成されるアレイアンテナがインターリーブ型であることを示している。本実施形態は、インターリーブ型に限定されず、ローカライズ型にも適用が可能である。

それぞれのサブアレイ１１１は、素子１１３のそれぞれに対応する移相器１１２を備える。移相器１１２は、ビーム形成制御部１０６により制御され、素子１１３に供給される無線信号の位相を制御する。位相の制御により、アレイアンテナによるビームの形成が制御される。

コンバータ１１０は、ＤＡＣ１０９によってアナログ信号に変換されたベースバンド信号の周波数を、局部発振器１１０−１の発振する発振信号の周波数にアップコンバートして無線信号を生成する。生成された無線信号は、サブアレイ１１１に出力される。

ＤＡＣ１０９は、デジタルＢＦ１０８が出力するベースバンド信号をアナログ信号に変換し、コンバータ１１０に出力する。

デジタルＢＦ１０８は、ベースバンド信号のそれぞれに、デジタルＢＦ制御部１０７の制御に応じて、複素信号（ウェイト）を乗じて位相および振幅を変化させるデジタルビームフォーミングを行ない、ＤＡＣ１０９に出力する。

端末方向推定部１０３は、複数の端末１０２−１および１０２−２のそれぞれの端末方向を推定する。方向の推定は、素子１１３により形成されるアンテナから複数の方向へ送信ビームを送信することにより行なわれる。端末方向推定部１０３は、送信ビームを受信した複数の端末１０２−１および１０２−２のそれぞれから受信される報告に基づいて、端末方向を推定する。方向の推定は、上述の関連技術として説明したように、送信ビームを走査することで行なうことができる。

選択判定値算出部１０４は、メインローブおよびグレーティングローブの方向の関係ならびに端末方向推定部１０３により推定された端末１０２−１および１０２−２の端末方向から算出される判定値を算出する。判定値の算出の詳細は後に説明する。また、選択判定値算出部１０４は、算出した判定値をビーム形成方式選択部１０５に出力する。判定値は、複数の端末のうちの１つの端末にメインローブを向けた場合のメインローブまたはグレーティングローブの方向と、他の端末の位置する方向と、の差の大きさに応じて算出される。例えば、判定値は、メインローブまたはグレーティングローブの方向に、複数の端末（例えば２台の端末）が位置すれば最小値（例えば０）となるように算出される。また、判定値は、或る端末にビームを向けるときのメインローブまたはグレーティングローブの方向から他の端末が離れるほど大きくなるように算出される。

あるいは、判定値は、メインローブまたはグレーティングローブの方向に、複数の端末（例えば２台の端末）が位置すれば最大値を取るように算出してもよい。このとき、判定値は、或る端末にビームを向けるときのメインローブまたはグレーティングローブの方向から他の端末が離れるほど小さくなるように算出することができる。

以下の説明においては、説明を簡略化するために、判定値は、或る端末にビームを向けるときのメインローブまたはグレーティングローブの方向から他の端末が離れるほど大きくなるように算出されるとする。判定値が、或る端末にビームを向けるときのメインローブまたはグレーティングローブの方向から他の端末が離れるほど小さくなるように算出される場合には、以下の説明において、閾値以下を閾値以上などと読み替えることにより以下の説明を実施することができる。

ビーム形成方式選択部１０５は、選択判定値算出部１０４の算出する判定値に基づいて、サブアレイ１１１によるビーム形成の方式を選択する。例えば、ビーム形成方式選択部１０５は、判定値が閾値以下であると判定値が算出された端末に向けるビームの１つの形成方式として第１のビーム形成の方式を選択する。また、ビーム形成方式選択部１０５は、判定値が閾値を超えると、第２のビーム形成の方式を選択する。以下では、閾値が１つであり、２つのビーム形成の方式があるとして説明を行なう。閾値は２つ以上あってもよく、３つ以上のビーム形成の方式から１つの方式が選択されてもよい。

以下では、選択判定値算出部１０４の算出する判定値が、或る端末にビームを向けるときのメインローブまたはグレーティングローブの方向から他の端末が離れるほど大きくなるように算出されることを想定する。この想定下では、判定値が閾値以下であれば、図４を参照して説明したように端末に個別にビームを向けると、端末方向の誤差がある場合には、デジタルビームフォーミングを行なうことにより、ビーム間の干渉が発生する場合がある。そこで、判定値が閾値以下であれば、複数のサブアレイのビームを同一の方向に向けるビーム形成を行なう。

逆に、判定値が閾値を超える場合には、端末方向の誤差があっても、ビーム間の干渉が発生しないと考えられる。このことは図３などにおいて、メインローブおよびグレーティングローブから離れると信号の強度が小さくなることから理解できる。そこで、判定値が閾値を超える場合には、サブアレイのそれぞれにより、個々の端末に向けたビーム形成を行なう。

なお、端末の数ＫがサブアレイＮの数よりも小さい場合には、Ｋ個のサブアレイを動作させ、Ｎ−Ｋ個のサブアレイの動作を停止させてもよい。あるいは、無線通信装置１０１から端末への距離の大きい端末に向けて複数のサブアレイを用いてビームを向けるようにしてもよい。この場合、距離の大きい端末に向けられる複数のサブアレイ１１１には、同じ信号がコンバータ１１０から入力されるようになっていてもよい。

ビーム形成制御部１０６は、ビーム形成方式選択部１０５からの出力に基づき、端末方向推定部１０３により推定された方向にビームを向けるように、アレイアンテナのサブアレイ１１１が備える移相器１１２を制御する。また、ビーム形成制御部１０６は、デジタルＢＦ制御部１０７に対して、それぞれのビームの方向を表わす情報を出力する。

デジタルＢＦ制御部１０７は、端末方向推定部１０３により推定された方向を表わす情報および、ビーム形成制御部１０６の出力するビームの方向を表わす情報に基づいて、デジタルＢＦ１０７を制御する。例えば、端末１０２−１の受信する無線信号が、端末１０２−２に向けられるビームの無線信号により干渉を受けないように、ベースバンド信号に乗じる複素信号（ウェイト）を制御する。

ウェイトは、例えばゼロフォーシング法を用いて算出される。また、推定方向ごとにウェイトを前もって算出しておき、算出したウェイトを推定方向と関連づけて記憶しておいてもよい。本実施形態においては、Ｎは有限であり、また、最小ステップ角度も有限であり端末の推定方向の数も有限であるので、前もってウェイトを算出することができる。

図６は、無線通信装置１０１の処理のフローチャートである。ステップＳ３０１において、端末方向推定部１０３が、各端末１０２−１および１０２−２の方向を推定する。ステップＳ３０２において、選択判定値算出部１０４が、判定値を算出する。ステップＳ３０３において、判定値と閾値とを比較する。もし、判定値が閾値以下であれば、Ｎｏへの分岐が発生し、ステップＳ３０４へ処理が移行する。ステップＳ３０４において、ビーム形成方式選択部１０５は、複数のサブアレイのビームを同一の方向に向けるビーム形成方式を選択する。その後、処理はステップＳ３０５に移行する。

また、ステップＳ３０３において、判定値が閾値を超えれば、Ｙｅｓへの分岐が発生し、ステップＳ３０６に処理が移行する。ステップＳ３０６において、ビーム形成方式選択部１０５は、各サブアレイが個々の端末１０２−１および１０２−２にビームを向けるビーム形成方式を選択し、ステップＳ３０５へ処理が移行する。

ステップＳ３０５において、ビーム形成方式に応じたビーム形成制御部１０６の制御に基づいて、各サブアレイ１１１がビームを形成する。ステップＳ３０７において、デジタルＢＦ制御部１０７が、デジタルビームフォーミングのウェイトを設定する。ステップＳ３０８において、各端末１０２−１および１０２−２宛ての信号を送信する。

以下に判定値の算出について説明する。判定値は、無線通信装置１０１が通信を行なう複数の端末からの任意の２つの端末＃ｋおよび＃ｌの組み合わせに対する次の数式１の最小値として定義される。

別言すれば、任意の＃ｌ、＃ｋおよび任意の整数ｎに対して

を算出し、算出された値の最小値を判定値とすることができる。

ここに、

は、メインローブと、メインローブに隣接するグレーティングローブの方向を三角関数ｓｉｎにより写像した値の差分である。０以外のｎを掛けた

は、メインローブと、メインローブを０番目としたときのｎ番目のグレーティングローブの方向を三角関数ｓｉｎにより写像した値の差分である。したがって、

は、端末＃ｌにメインローブを向けた場合に、端末＃ｋがメインローブまたはグレーティングローブに近い方向に位置すれば、小さな値になる。なお、三角関数ｓｉｎは、−１以上１以下の値になるので、

の算出は、有限個のｎについて

を算出することにより、行なうことができるので、数式６は有限時間で計算が可能である。

また、アレイアンテナがインターリーブ型である場合には、判定値は、全ての＃ｌおよび＃ｋの組み合わせに対して

の最小値として算出される。Ｎは、サブアレイの数である。上記の算出の根拠は、インターリーブ型のアレイアンテナにおいては、サブアレイで形成されるビームのメインローブといずれかのグレーティングローブ（またはメインローブ）の方向を三角関数ｓｉｎにより写像した値の差分がｎλ／（Ｎｄ）となることである。

ただし、判定値が閾値以下である場合、サブアレイは同じ方向にビームを向けるが、この場合、デジタルビームフォーミングによる干渉の抑圧が重要となる。インターリーブ型の場合には、サブアレイ内の素子間隔に対してサブアレイ間隔が小さいので、メインローブと近い位置関係にあるときに判定値が小さくなることを避けることが好ましい。そこで、インターリーブ型の場合、判定値はすべての＃ｌおよび＃ｋについての

の最小値により算出してもよい。ｎがＮの倍数となる場合を除いて最小値を算出するのは、ｎがＮの倍数であるとき、メインローブと近い位置関係にあるときに判定値が小さくなる場合があるからである。

また、判定値が閾値以下である場合の各サブアレイがビームを向ける方向は、端末の方向の偏角の算術平均の方向としてもよい。あるいは、判定値が閾値以下である場合の各サブアレイがビームを向ける方向は、次のように

の最大値および最小値が算出される２つの端末への方向の平均としてもよい。形成されるビームのピーク方向と端末の方向のずれを小さくするように、各端末の方向と、サブアレイで形成されるビームのグレーティングローブまたはメインローブの最も近いローブの方向と、の差分が最小となる方向にビームを形成する。このとき、インターリーブ型のアレイアンテナの場合は、端末＃ｌの方向にメインローブを向けたとき、端末＃ｋの方向について、最も近いグレーティングローブまたはメインローブのインデックスは、

により得られる。また、正方向（基準方向に対して偏角が正となる方向）、および、負方向への差分が最大となる端末についての差分は、それぞれ、次の式により得られる。

そこで、差分が最大となる端末についての差分が最小となる方向として、

を用いる。

以上のように、本実施形態においては、判定値が閾値以下となった場合に、サブアレイが形成するビームの方向は、推定される端末の位置する方向と異なり、また、実際に端末の位置する方向と異ならせることができる。このようにしても受信品質の劣化を抑制できる。別言すると、端末の位置する方向の推定に誤差が生じ、サブアレイの形成するビームの方向が実際に端末の位置する方向と異なっていても、他のビームによる干渉を抑制することができる。

また、メインローブまたはグレーティングローブの方向に、複数の端末（例えば２台の端末）が位置すれば、判定値が最大値となるように算出する場合においても同様である。換言すれば、判定値が閾値を超える場合に、サブアレイが形成するビームの方向は、推定される端末の位置する方向と異なり、また、実際に端末の位置する方向と異ならせることができる。このようにしても受信品質の劣化を抑制できる。別言すると、端末の位置する方向の推定に誤差が生じ、サブアレイの形成するビームの方向が実際に端末の位置する方向と異なっていても、他のビームによる干渉を抑制することができる。

図７は、判定値が閾値以下である場合の、ビーム形成の一例を示す図である。別言すると、判定値が閾値以下である場合における無線通信装置１０１の各サブアレイ１１１が形成するビームパターンのシミュレーション結果を示す図である。例えば、端末１０２−１の方向が、基準方向に対する水平角度として−３０度の偏角の方向であり、端末１０２−２の方向が、基準方向に対する水平角度として１５度の偏角の方向であるとする。この場合、判定値が閾値以下となれば、全てサブアレイは同じ方向にビームを形成し、全てのビームのメインローブおよびグレーティングローブの関係は図７のように同一となる。

図８は、ビームフォーミングにより、無線通信装置１０１が放射する各端末１０２−１および１０２−２宛てそれぞれの無線信号のパターン８０１及び８０２のシミュレーション結果を示す図である。図８に示すように、各端末の推定方向である−３０度（パターン８０１）および１５度（パターン８０２）では、無線信号の干渉は無視できる程度に小さい。また、図４と比較すると、無線信号の干渉が無視できる程度に小さい角度の領域は、図８の方が図４よりも大きくなっている。これは、端末の推定方向と端末が実際に位置する方向とに誤差が生じても、端末の実際の位置においては、無線信号の干渉が抑圧されていることを意味する。

なお、ビーム形成方式の選択を行なう判定値の閾値は、図９に示すように、方向の推定精度が低いほど（方向の推定誤差が大きいほど）大きくするように変化させてもよい。これは、方向の推定誤差が大きい場合に、個々の端末にビームを向けるようにビーム形成制御部１０６が制御を行なうと、干渉が発生しやすくなるためである。

なお、端末の方向推定の精度は、方向の推定のために走査する送信ビームの最小ステップ角度が小さいほど良好とすることができる。方向の推定のために走査する送信ビームの最小ステップ角度が小さいほど、より多くの方向に送信ビームを送信することができ、推定精度を上げることができる。最小ステップ角度は、端末数などに応じて端末方向推定部１０３により決定され、無線通信装置１０１のメモリなどに格納され、ビーム形成方式選択部１０５により読み出されてよい。

また、サブアレイで形成されるビームが大きく広がると、ある端末に向けられるビームのメインローブと別の端末に向けられるビームのグレーティングローブとが重なりやすくなる。そこで、図１０に示すように、ビーム幅の広がり（ピーク近辺でのメインローブおよびグレーティングローブの形状の幅の大きさ）が大きいほど、閾値を大きくするように変化させてもよい。ビーム幅も、無線通信装置１０１のメモリなどに格納され、ビーム形成方式選択部１０５により読み出されてもよい。

図１１は、一実施形態に係る無線通信装置１０１のハードウェア構成図である。無線通信装置１０１は、プロセッサ６０１と、メモリ６０２と、ネットワークインタフェース回路６０３と、無線通信デバイス６０４と、アンテナ６０５とを有する。

プロセッサ６０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）により構成されてよい。メモリ６０２は、揮発性メモリや不揮発性のメモリであり、ＣＰＵが実行するプログラムを保持し、また、プログラムをＣＰＵが実行するときの作業領域を提供することができる。プログラムが実行されると、端末方向推定部１０３と、選択判定値算出部１０４と、ビーム形成方式選択部１０５と、ビーム形成制御部１０６と、デジタルＢＦ制御部１０７とが実現される。また、ＤＳＰは、デジタルＢＦ１０８を実現する装置である。ネットワークインタフェース回路６０３は、コアネットワークなどの通信網とデータの入出力を行なう。無線通信デバイス６０４は、無線信号を処理するためのデバイスであり、ＤＡＣ１０９と、コンバータ１１０と、移相器１１２とを実現する。アンテナ６０５は、素子１１３を有するアレイアンテナである。なお、図１１には、２つのアンテナ６０５が示されているが、３つ以上のアンテナ６０５が備わっていてもよい。

また、プロセッサ６０１を例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などにより構成することにより、プログラムを用いずにハードウェアによって無線通信装置１０１を構成することも可能である。

（実施形態２）
実施形態１においては、全てのサブアレイについて同じビーム形成方式を用いるとき、一部の端末の組み合わせについての判定値が小さいものの、他の端末の組み合わせについての判定値が大きくなる場合があり得る。この場合、全てのサブアレイが同じ方向にビームを形成する可能性がある。このため、所望の方向にビームが形成されているとは云えなくなり、ビームフォーミングによるゲインが得られない端末が多くなることが懸念される。そこで、実施形態２として、判定値の小さい端末の組み合わせをグルーピングし、グループ毎にビーム形成方法を選択することで、より多くの端末の受信品質を改善する方法について説明する。

図１２は、実施形態２に係る無線通信装置１１０１の機能ブロック図である。無線通信装置１１０１は、素子１１３と、サブアレイ１１１と、コンバータ１１０と、ＤＡＣ１０９と、デジタルＢＦ１０８と、を備える。また、無線通信装置１１０１は、端末方向推定部１０３と、選択判定値算出部１０４と、ビーム形成方式選択部１０５と、ビーム形成制御部１０６と、デジタルＢＦ制御部１０７と、グルーピング部１１０２と、を備える。

素子１１３と、サブアレイ１１１と、コンバータ１１０と、ＤＡＣ１０９と、デジタルＢＦ１０８と、端末方向推定部１０３と、デジタルＢＦ制御部１０７とは、実施形態１に係る無線通信装置１０１と同一若しくは同様の構成でよい。

選択判定値算出部１０４は、メインローブおよびグレーティングローブの関係および端末方向推定部１０３により推定された端末１０２−１、１０２−２への方向から算出される判定値を算出し、算出した判定値をビーム形成方式選択部１０５に出力する。また、選択判定値算出部１０４は、グルーピング部１１０２に、各端末＃ｌおよび＃ｋの組み合わせについて判定値Ｊ_ｌ、ｋを出力する。

グルーピング部１１０２は、各＃ｌおよび＃ｋの組み合わせについての判定値が閾値以下となる組み合わせのＪ_ｌ、ｋに基づいて、端末をグルーピングする。グルーピングは、各判定値Ｊ_ｌ、ｋについての端末＃ｌおよび＃ｋとは異なる端末＃ｍを選択し、Ｊ_ｋ、ｍおよびＪ_ｍ、ｌを算出し、Ｊ_ｌ、ｋ、Ｊ_ｋ、ｍおよびＪ_ｍ、ｌの値それぞれが所定の数値範囲に収まっているかどうかにより判断する。所定の数値範囲は、閾値と同様に方向測定の精度が劣るほど大きくし、送信ビーム幅が大きいほど大きくしてもよい。もし、Ｊ_ｌ、ｋ、Ｊ_ｋ、ｍおよびＪ_ｍ、ｌの値それぞれが所定の数値範囲に収まっていれば、＃ｌ、＃ｋのグループに＃ｍを追加してグループを拡大して新たなグループを作る。以後同様にして、このように作られたグループに属さない端末を選択し、グループを拡大することができる。なお、どのグループにも属さなかった端末については、当該端末をメンバに限ったグループを形成してもよい。

グルーピング部１１０２は、作られたグループに関する情報を、ビーム形成方式選択部１０５およびビーム形成制御部１０６に出力する。作られたグループに関する情報には、各グループに属する端末の識別番号が含まれる。また、各グループに属する端末の組み合わせの判定値の最小値も含まれてよい。

ビーム形成方式選択部１０５は、選択判定値算出部１０４およびグルーピング部１１０２の出力に基づいて、ビーム形成方式の選択をグループごとに行なう。例えば、グループに属する端末が２以上であり、判定値が閾値以下であれば、グループに属する端末の台数に相当する個数のサブアレイに同じ方向のビームを形成させる。また、グループに属する端末が１であるか、判定値が閾値を超えれば、サブアレイにグループに属する各端末へ個々のビームを形成させる。

ビーム形成制御部１０６は、ビーム形成方式選択部１０５およびグルーピング部１１０２からの出力に基づいて、グループごとに選択されたビーム形成となるように、サブアレイ１１１を制御する。

図１３（Ａ）は、実施形態２に係る無線通信装置１１０１の動作のフローチャートである。ステップＳ１２０１において、端末方向推定部１０３が、各端末１０２−１および１０２−２の方向を推定する。ステップＳ１２０２において、選択判定値算出部１０４が、判定値を算出する。ステップＳ１２０３において、グルーピング部１１０２が端末をグルーピングする。ステップＳ１２０４において、ビーム形成方式選択部１０５が、ビーム形成方式を選択する。ステップＳ１２０５において、ビーム形成方法に応じたビーム形成制御部１０６の制御に基づいて、各サブアレイ１１１がビームを形成する。ステップＳ１２０６において、デジタルＢＦ制御部１０７が、デジタルビームフォーミングのウェイトを設定する。ステップＳ１２０７において、無線通信装置１１０１は、各端末１０２−１および１０２−２宛ての信号を送信する。

図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）のステップＳ１２０３において、端末をグルーピングする処理の詳細を示すフローチャートである。ステップＳ１３０１において、変数ｉに１を代入し初期化が行なわれる。変数ｉは、端末のグループを指し示すために使用される。ステップＳ１３０２において、無線通信装置１１０１は、いずれのグループにも属さない端末１台により新規グループ＃ｉを作成する。別言すれば、いずれのグループにも属さない端末を１台、選択し、選択された端末により、新たなグループ＃ｉが作成される。なお、グループが作成されていない場合（言い換えると、ｉ＝１の場合）には、端末を１台、選択し、選択された端末により、新たなグループ＃ｉが作成される。

ステップＳ１３０３において、無線通信装置１１０１は、いずれのグループにも属さず、かつ、グループ＃ｉの全ての端末との判定値が閾値以下となる端末が存在するかどうかを判断する。もし、いずれのグループにも属さず、かつ、グループ＃ｉの全ての端末との判定値が閾値以下となる端末が存在すれば、無線通信装置１１０１は、ステップＳ１３０４に処理を移行させる（ステップＳ１３０３において、無線通信装置１１０１が処理をＹｅｓに分岐する）。また、いずれのグループにも属さない端末が存在しないか、または、グループ＃ｉの全ての端末との判定値が閾値以下となる端末が存在しなければ、無線通信装置１１０１は、ステップＳ１３０５に処理を移行させる（ステップＳ１３０３において、無線通信装置１１０１が処理をＮｏに分岐する）。

ステップＳ１３０４においては、無線通信装置１１０１は、いずれのグループにも属さず、かつ、グループ＃ｉの全ての端末との判定値が閾値以下となる端末１台をグループ＃ｉに追加し、ステップＳ１３０３へ処理を戻す。

ステップＳ１３０５においては、無線通信装置１１０１は、いずれのグループにも属さない端末が存在するかどうかを判断する。もし、いずれのグループにも属さない端末が存在すれば、無線通信装置１１０１は、ステップＳ１３０６に処理を移行させる（ステップＳ１３０５において、無線通信装置１１０１が処理をＹｅｓに分岐する）。もし、いずれのグループに属さない端末が存在しなければ、無線通信装置１１０１は、図１３（Ｂ）のフローチャートの処理を終了させる（ステップＳ１３０５において、無線通信装置１１０１が処理をＮｏに分岐する）。

ステップＳ１３０６においては、無線通信装置１１０１は、変数ｉの値に１を加えて新たな変数ｉの値として代入し、ステップＳ１３０２へ処理を戻す。

以上の図１３（Ｂ）のフローチャートの処理により、端末はいずれかのグループに属するようになる。

図１４は、端末１０２−１および１０２−２により端末のグループ１が形成され、端末１０２−３および１０２−４により端末のグループ２が形成され、各グループ１および２に複数のサブアレイから同じ方向のビームが向けられている状態を示す図である。

例えば、サブアレイ１１１−１は、グループ１の方向により定まる方向にビームを形成し、サブアレイ１１１−２は、グループ２の方向により定まる方向にビームを形成する。

端末の数は偶数に限定されることはなく、図１５に示すように端末の数は奇数であってもよい。この場合、１台の端末１０２−１で１つのグループが形成され、サブアレイ１１１−３により、他のサブアレイ１１１−４が形成するビームの方向と異なる方向のビームが形成される。また、端末１０２−２および１０２−３によりグループ３が形成され、サブアレイ１１１−４によりグループ３の方向へビームが向けられる。

（他の実施形態）
以上の説明においては、端末の方向を、主に基準方向から水平方向への偏角により表わしたが、基準方向から垂直方向への偏角により表してもよい。また、図２（Ａ）および（Ｂ）に示したように素子が二次元に配置されている場合には、端末の方向への水平方向の偏角および垂直方向の偏角の両方を組み合わせて端末方向を表わすことができる。別言すると、図１６に示すようにアレイアンテナ１５０３の法線方向を基準として、端末１５０２−１および１５０２−２それぞれへの垂直方向と水平方向との偏角を、端末方向として推定することができる。

この場合、水平方向および垂直方向のそれぞれについて算出した判定値のいずれもが閾値以下であれば、複数のサブアレイに同じ方向のビームを形成させてよい。なお、閾値は、水平方向および垂直方向それぞれについて異なる値を使用することができる。また端末方向の推定誤差に応じた閾値の変化を水平方向と垂直方向とで異ならせてもよい。また、ビーム幅に応じた閾値の変化を水平方向と垂直方向とで異ならせてもよい。

また、以上においては、無線通信装置１０１、１１０１および１５０１から端末１０２−１〜１０２−４および１５０２−１〜１５０２−２へ無線信号を送信する場合について説明したが、無線通信装置１０１、１１０１および１５０１が端末１０２−１〜１０２−４および１５０２−１〜１５０２−２から無線信号を受信する場合についても同様に適用することが可能である。

１０１ ：無線通信装置
１０２−１〜１０２−４：端末
１０３ ：端末方向推定部
１０４ ：選択判定値算出部
１０５ ：ビーム形成方式選択部
１０６ ：ビーム形成制御部
１０７ ：デジタルＢＦ制御部
１０８ ：デジタルＢＦ（Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｅｒ）
１０９ ：ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）
１１０ ：コンバータ
１１０−１ ：局部発振器
１１１ ：サブアレイ
１１１−１〜１１１−４：サブアレイ
１１２ ：移相器
１１３ ：素子
２０１ ：ローカライズ型アレイアンテナ
２１０ ：インターリーブ型アレイアンテナ
６０１ ：プロセッサ
６０２ ：メモリ
６０３ ：ネットワークインタフェース回路
６０４ ：無線通信デバイス
６０５ ：アンテナ
８０１ ：−３０度の方向に位置する端末への無線信号のパターン
８０２ ：１５度の方向に位置する端末への無線信号のパターン
１１０１ ：無線通信装置
１１０２ ：グルーピング部
１５０３ ：アレイアンテナ
１６００ ：無線通信装置
１６００−１、１６００−２：端末
１６０１ ：端末方向推定部
１６０２ ：ビーム形成制御部
１６０３ ：デジタルＢＦ制御部
１６０６ ：局部発振器
１６０５−１、１６０５−２：ＤＡＣ
１６０４ ：デジタルＢＦ
１６０７、１６０８：コンバータ
１６０９、１６１０：サブアレイ

Claims (13)

1. 複数のサブアレイが形成するビームの方向を制御して複数の端末と通信する無線通信装置であって、
   前記複数の端末が位置する方向を推定する端末方向推定部と、
   前記複数の端末のうちの１つの端末にビームを向けた場合のメインローブまたはグレーティングローブの方向と、他の端末の位置する方向と、の差の大きさに応じて算出される判定値を算出する判定値算出部と、
   前記算出された判定値に基づいて、前記複数のサブアレイによるビーム形成方式を選択するビーム形成方式選択部と、
   を備える無線通信装置。
2. 前記算出される判定値は、前記複数の端末の前記１つの端末にビームを向けた場合の前記メインローブまたは前記グレーティングローブの方向に前記他の端末が位置すると最小値をとり、前記メインローブまたは前記グレーティングローブの方向から前記他の端末が位置する方向が離れるにつれて増加する、請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記算出される判定値は、前記複数の端末の前記１つの端末にビームを向けた場合の前記メインローブまたは前記グレーティングローブの方向に前記他の端末が位置すると最大値をとり、前記メインローブまたは前記グレーティングローブの方向から前記他の端末が位置する方向が離れるにつれて減少する、請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記ビーム形成方式選択部は、
   前記算出された判定値が閾値を超えるならば、前記推定された複数の端末が位置するそれぞれの方向に前記複数のサブアレイがビームを形成するビーム形成方式を選択し、
   前記算出された判定値が閾値以下とならば、前記複数のサブアレイの２以上のサブアレイが同じ方向のビームを形成するビーム形成方式を選択する、請求項１または２に記載の無線通信装置。
5. 前記ビーム形成方式選択部は、
   前記算出された判定値が閾値未満とならば、前記推定された複数の端末が位置するそれぞれの方向に前記複数のサブアレイがビームを形成するビーム形成方式を選択し、
   前記算出された判定値が閾値以上となるならば、前記複数のサブアレイの２以上のサブアレイが同じ方向のビームを形成するビーム形成方式を選択する、請求項１または３に記載の無線通信装置。
6. 前記算出された判定値が互いに前記閾値以下となる端末を同じグループにグルーピングするグルーピング部を備え、
   前記ビーム形成方式選択部は、前記グループごとにビーム形成方式を選択する、請求項４に記載の無線通信装置。
7. 前記算出された判定値が互いに前記閾値以上となる端末を同じグループにグルーピングするグルーピング部を備え、
   前記ビーム形成方式選択部は、前記グループごとにビーム形成方式を選択する、請求項５に記載の無線通信装置。
8. 前記閾値は、前記端末方向推定部による前記複数の端末が位置する方向の推定誤差が大きくなるほど大きな値に設定される、請求項４または６に記載の無線通信装置。
9. 前記閾値は、前記端末方向推定部による前記複数の端末が位置する方向の推定誤差が大きくなるほど小さな値に設定される、請求項５または７に記載の無線通信装置。
10. 前記閾値は、前記複数のサブアレイが形成するビームのビーム幅の広がりが大きいほど大きな値に設定される、請求項４、６および８のいずれか１項に記載の無線通信装置。
11. 前記閾値は、前記複数のサブアレイが形成するビームのビーム幅の広がりが大きいほど小さな値に設定される、請求項５、７および９のいずれか１項に記載の無線通信装置。
12. 前記端末方向推定部は、前記複数のサブアレイの法線方向に対する水平方向および垂直方向について前記複数の端末が位置する方向を推定し、
    前記判定値算出部は、前記複数のサブアレイの法線方向に対する水平方向および垂直方向それぞれについて判定値を算出する、請求項１から９のいずれか一に記載の無線通信装置。
13. 複数の端末と通信する際に複数のサブアレイが形成するビームの方向を制御するビーム制御方法であって、
    前記複数の端末が位置する方向を推定し、
    前記複数の端末の１つの端末にビームを向けた場合のメインローブまたはグレーティングローブの方向と他の端末の位置する方向とに応じて算出される判定値を算出し、
    前記算出される判定値に基づいて、前記複数のサブアレイによるビーム形成方式を選択するビーム制御方法。

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