JP2017147574A - 無線通信装置及びアンテナ配置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム品質を維持しつつ、配線の複雑化を抑制すること。
【解決手段】無線通信装置は、一列に並ぶ複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子に接続され、前記アンテナ素子によって送受信される信号に対するアナログ処理を実行するＭ個（Ｍ≧２）のアナログ処理部とを有し、前記複数のアンテナ素子は、同一のアナログ処理部に接続されるアンテナ素子ごとにサブアレイを形成し、形成されたＭ個のサブアレイに属するアンテナ素子それぞれが、サブアレイごとに異なる整数ｋ（０≦ｋ＜Ｍ）に対して、一端に配置された基準アンテナ素子から（ｍＭ＋ｋ）ｄ（ｍは任意の整数、ｄは所定の単位間隔）離れた位置に配置される。
【選択図】図６

Description

本発明は、無線通信装置及びアンテナ配置方法に関する。

一般に、複数のアンテナ素子が配列されたアレイアンテナを利用する指向性ビーム制御には、フェーズドアレイを用いるアナログ方式と、デジタル信号処理で各アンテナ素子に重み付けをするデジタル方式とが知られている。アナログ方式では、複数のアンテナ素子に対して１系統の無線回路やＤＡ（Digital Analogue）／ＡＤ（Analogue Digital）コンバータを含むアナログ回路部を備えれば良いため、消費電力が比較的小さくて済む。ただし、アナログ方式では、指向性ビーム（以下、単に「ビーム」という）が１方向に形成されるため、複数のユーザへ同時にビームを向けることが困難である。これに対して、デジタル方式では、複数のユーザへ同時にビームを向けることが容易である一方、アンテナ素子と同数のアナログ回路部が備えられることとなり、消費電力が増大する。

そこで、近年では、アナログ方式とデジタル方式を組み合わせてビーム制御を行うハイブリッド方式が提案されている。ハイブリッド方式によれば、デジタル方式よりも消費電力を低減しつつ、複数のユーザに対して同時にビームを向けることができる。すなわち、ハイブリッド方式では、複数の系統のアナログ回路部が備えられるとともに、それぞれの系統のアナログ回路部が複数のアンテナ素子と接続される。このため、アナログ回路部の系統数がアンテナ素子の数よりも少なくなり、デジタル方式と比較して消費電力を低減することができる。また、アナログ回路部の系統数のデータストリームを同時に処理することができるため、アナログ回路部の系統数に等しいユーザに対して同時にビームを向けることができる。

ハイブリッド方式におけるアナログ回路部とアンテナ素子との接続には、主にステップバイステップ方式とインタリーブ方式との２つがある。ステップバイステップ方式では、互いに隣接する複数のアンテナ素子が１系統のアナログ回路部に接続される。一方、インタリーブ方式では、間に他のアンテナ素子を挟む複数のアンテナ素子が１系統のアナログ回路部に接続される。なお、以下においては、１系統のアナログ回路部にまとめて接続される複数のアンテナ素子を「サブアレイ」ともいう。

特表２０１５−５２１８１５号公報

ステップバイステップ方式では、サブアレイ内のアンテナ素子間隔が小さく、アンテナ素子が狭い範囲にまとまって配置されているため、ビーム幅が広くなる。一方、インタリーブ方式では、サブアレイ内のアンテナ素子間隔が大きく、アンテナ素子が広い範囲にわたって配置されているため、ビーム幅が狭くなる。このため、無線通信相手となる複数のユーザが狭い範囲に分布する場合、ステップバイステップ方式を採用すると、各ユーザに対して向けられるビームが重なってしまい、ユーザを分離することが困難である。この点、インタリーブ方式を採用すれば、ユーザが狭い範囲に分布していてもユーザそれぞれにビームを向けることができ、ユーザを分離することが可能となる。

しかしながら、インタリーブ方式では、サブアレイ内の複数のアンテナ素子が間に他のサブアレイのアンテナ素子を挟むため、アンテナ素子とアナログ回路部とを接続するラインが他のサブアレイのラインと交差する。したがって、例えば１つのサブアレイのラインと他のサブアレイのラインとが３次元的に交差することとなり、アンテナ素子とアナログ回路部を接続する配線が複雑化するという問題がある。そして、配線が複雑化する結果、複数のアンテナ素子を備える無線通信装置の製造コストが増大してしまう。

開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、ビーム品質を維持しつつ、配線の複雑化を抑制することができる無線通信装置及びアンテナ配置方法を提供することを目的とする。

本願が開示する無線通信装置は、１つの態様において、一列に並ぶ複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子に接続され、前記アンテナ素子によって送受信される信号に対するアナログ処理を実行するＭ個（Ｍは２以上の整数）のアナログ処理部とを有し、前記複数のアンテナ素子は、同一のアナログ処理部に接続されるアンテナ素子ごとにサブアレイを形成し、形成されたＭ個のサブアレイに属するアンテナ素子それぞれが、サブアレイごとに異なる整数ｋ（ｋは０以上Ｍ未満の整数）に対して、一端に配置された基準アンテナ素子から（ｍＭ＋ｋ）ｄ（ｍは任意の整数、ｄは所定の単位間隔）離れた位置に配置される。

本願が開示する無線通信装置及びアンテナ配置方法の１つの態様によれば、ビーム品質を維持しつつ、配線の複雑化を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、無線通信装置の構成を示すブロック図である。 図２は、接続スイッチによる接続の一例を示す図である。 図３は、プロセッサの機能を示すブロック図である。 図４は、ユーザのグループ分けを説明する図である。 図５は、一実施の形態に係る接続スイッチによる接続の一例を示す図である。 図６は、一実施の形態に係るアンテナ配置を説明する図である。 図７は、ビームパターンの具体例を示す図である。 図８は、一実施の形態に係るビーム形成処理を示すフロー図である。

以下、本願が開示する無線通信装置及びアンテナ配置方法の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

一実施の形態に係る無線通信装置及びアンテナ配置方法の説明に先立って、ハイブリッド方式によってビーム制御する無線通信装置の構成について説明する。

図１は、ハイブリッド方式を採用する無線通信装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示す無線通信装置１００は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎ（Ｎは２以上の整数）、フェーズシフタ１２０、接続スイッチ１３０、アナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍ（Ｍは２以上Ｎ未満の整数）、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍ及びプロセッサ１６０を有する。

アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎは、直線上に一列に並べて配列され、アンテナアレイを形成する。通常、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎは、等間隔に配置されており、各アンテナ素子間の間隔ｄは、例えば送受信される電波の波長λの２分の１に設定される。

フェーズシフタ１２０は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎを重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNによって重み付けし、ビームを形成する。このとき、フェーズシフタ１２０は、プロセッサ１６０から通知される重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNを用いてビームを形成する。アンテナ素子１１０−１〜１１０Ｎが並ぶ配列方向に対して垂直な方向とのなす角度がθの方向を向くビームを形成する場合、重み係数ｗ_an（ｎは１〜Ｎの整数）は、例えば以下の式（１）によって表すことができる。

ただし、上式（１）において、ｅは自然対数の底、ｊは虚数単位、ｄはアンテナ素子間の間隔、λは電波の波長をそれぞれ示している。このような重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNによってアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎを重み付けすることにより、各アンテナ素子においてθの方向へ放射する又はθの方向から入射する電波の位相が揃うため、θの方向にビームが形成される。

接続スイッチ１３０は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎとアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍを接続する。具体的には、接続スイッチ１３０は、１つのサブアレイに属する複数のアンテナ素子を１つのアナログ処理部に接続する。したがって、例えばインタリーブ方式が採用される場合には、接続スイッチ１３０は、図２に示すように、アンテナ素子１１０−１からＭ本間隔のアンテナ素子を１つのサブアレイとしてアナログ処理部１４０−１に接続し、アンテナ素子１１０−ＭからＭ本間隔のアンテナ素子を１つのサブアレイとしてアナログ処理部１４０−Ｍに接続する。すなわち、一般化すると、接続スイッチ１３０は、アナログ処理部１４０−ｉ（ｉは１〜Ｍの整数）とアンテナ素子１１０−（ｉ＋ａＭ）（ａは０以上の整数）からなるサブアレイとを接続する。

図２に示すように、アンテナ素子１１０−Ｍ＋１とアナログ処理部１４０−１とを接続するラインは、アンテナ素子１１０−Ｍとアナログ処理部１４０−Ｍとを接続するラインと交差する。このため、インタリーブ方式を採用する無線通信装置１００においては、配線が複雑化してしまう。そこで、本実施の形態では、後述するようにサブアレイごとのアンテナ素子の位置を調整することにより、ラインを交差させずにサブアレイごとのアンテナ素子とアナログ処理部とを接続することを可能にする。

図１に戻って、アナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍは、送信信号及び受信信号に対して所定のアナログ処理を施す。具体的には、アナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍは、例えば送信信号をアップコンバートして増幅したり、受信信号をダウンコンバートしたりする。

ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍは、送信信号及び受信信号についてＤＡ変換又はＡＤ変換を実行する。すなわち、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍは、プロセッサ１６０から出力される送信信号をＤＡ変換し、得られたアナログ信号をアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍへ出力する。また、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍは、アナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍから出力される受信信号をＡＤ変換し、得られたデジタル信号をプロセッサ１６０へ出力する。

プロセッサ１６０は、ユーザからの受信信号の到来方向を推定することにより、各ユーザの位置を推定し、それぞれのユーザに対してビームを向けるための重み係数を算出する。このとき、プロセッサ１６０は、ユーザの位置によってユーザをグループ分けし、グループごとにビームを形成するための重み係数を決定する。

具体的には、プロセッサ１６０は、図３に示すように、到来方向推定部１６１、グループ生成部１６２、アナログ重み係数算出部１６３、デジタル重み係数算出部１６４、重み付け処理部１６５及び信号処理部１６６を有する。

到来方向推定部１６１は、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍから出力される複数のユーザからの受信信号を取得し、それぞれの受信信号の到来方向を推定する。このとき、到来方向推定部１６１は、アナログ重み係数算出部１６３によって算出された重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNを考慮して、各受信信号の到来方向を推定する。すなわち、到来方向推定部１６１は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎに設定された重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNをアナログ重み係数算出部１６３から取得し、この重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNで受信された受信信号の到来方向を推定する。

到来方向推定部１６１は、受信信号の到来方向を表す角度として、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎが並ぶ配列方向に対して垂直な方向と受信信号の到来方向とがなす角度を求める。すなわち、到来方向推定部１６１は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎが並ぶ配列方向に対して垂直な方向を０度として、この方向からの角度を受信信号の到来方向として算出する。

グループ生成部１６２は、各ユーザの受信信号の到来方向に基づいて、複数のユーザをグループ分けする。例えば、グループ生成部１６２は、受信信号の到来方向について正弦（ｓｉｎ）又は余弦（ｃｏｓ）などの三角関数による写像を算出し、写像が所定の条件を満たすユーザを同一のグループに所属させても良い。すなわち、グループ生成部１６２は、１ユーザを基準ユーザに設定し、基準ユーザに関する写像との差分が所定の条件を満たす写像に対応するユーザを基準ユーザと同一グループに所属させる。そして、グループ生成部１６２は、順次基準ユーザを設定し、すべてのユーザがいずれかのグループに所属するまで、基準ユーザと各ユーザに関する写像が所定の条件を満たすか否かの判定を繰り返す。

このように、グループ生成部１６２が受信信号の到来方向の三角関数による写像によってユーザをグループ分けすることにより、複数のユーザに対して同時に十分な電力強度のビームを向けることができる。以下、基準ユーザと同一グループに所属するユーザの写像が満たすべき条件について、図４を参照しながら説明する。

図４は、無線通信装置１００が位置する点ＯとユーザＡ及びユーザＢの位置とを模式的に示す図である。図４においては、点Ｏに位置する無線通信装置１００のアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎが左右方向に一列に並んで配列されているものとする。このとき、これらのアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎによってビームを形成することが可能な範囲（以下「ビーム形成可能範囲」という）は、図４中の角度Θであるものとする。したがって、この範囲で形成されるビームの方向の正弦による写像は、−ｓｉｎΘ／２からｓｉｎΘ／２までの範囲に含まれる。

いま、受信信号の到来方向推定により、ユーザＡの位置を示す角度がαと算出されたものとする。このとき、ユーザＡに関する正弦による写像は、ｓｉｎαとなる。すなわち、図４における点Ａは、点Ｏからｓｉｎαだけ離れている。このようなユーザＡを基準ユーザとした場合、ユーザＡと同じグループに所属するユーザＢに関する写像は、以下の式（２）を満たす。

ただし、上式（２）において、βはユーザＢの位置を示す角度を示す。また、ｍは絶対値がＭ以下の整数である。式（２）からわかるように、基準ユーザＡに関する写像ｓｉｎαとユーザＢに関する写像ｓｉｎβとの間の間隔は、ビーム形成可能範囲の写像をＭ等分した間隔の整数倍の間隔である。

ここで、Ｍは、無線通信装置１００が有するアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍ及びＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍの数であり、同時に送受信可能な信号の数に相当する。したがって、上式（２）は、正弦による写像空間において、同時に送受信可能な信号数でビーム形成可能範囲を等分した間隔の倍数だけ基準ユーザから離れたユーザを基準ユーザと同じグループに所属させることを意味している。

このようなグループ分けをすることにより、各グループ内のユーザに対して同時にビームを向ける場合には、ビームの電力強度がほぼ等しくなる。以下、その理由について説明する。

上式（２）において、ユーザＡの方向へビームを向ける場合のアンテナ素子１１０−ｎの重み係数ｗ_Aanは、上式（１）より以下の式（３）と表すことができる。

これに対して、ユーザＡと同じグループに所属するユーザＢの方向へビームを向ける場合のアンテナ素子１１０−ｎの重み係数ｗ_Banは、以下の式（４）となる。

また、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎの間隔ｄと、波長λと、ビーム形成可能範囲Θとの間には、以下の式（５）の関係がある。

式（４）に式（２）のｓｉｎβ、式（５）のｄを代入して整理すると、以下の式（６）が得られる。

このように、上記のグループ分けをすることにより、各ユーザに対してビームを向ける場合の各アンテナ素子の重み係数は、基準ユーザに対してビームを向ける場合の各アンテナ素子の重み係数を用いて表すことができる。

さらに、式（６）において、位相に関連するｊ２π（ｎ−１）ｍ／Ｍの部分に着目すると、アンテナ素子１１０−ｎの重み係数ｗ_Banとアンテナ素子１１０−（ｎ＋ａＭ）（ａは０以上の整数）の重み係数ｗ_Ba(n+M)とでは、上記の位相に関連する部分の差が２πの倍数となる。すなわち、Ｍ本間隔のアンテナ素子で位相が互いに等しくなり、インタリーブ方式によって同一のアナログ処理部に接続される複数のアンテナ素子においては、重み係数の位相が共通することがわかる。

このように、上記のグループ分けをすることにより、それぞれのアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍによって処理される信号については共通の位相の重み係数で重み付けすることが可能となる。

アナログ重み係数算出部１６３は、グループ生成部１６２によって生成されたユーザの各グループについて、フェーズシフタ１２０によって用いられる重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNを算出する。具体的には、アナログ重み係数算出部１６３は、各グループの基準ユーザの方向を向くビームを形成するための重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNを算出する。換言すれば、アナログ重み係数算出部１６３は、式（６）における基準ユーザＡの重み係数ｗ_Aanを算出する。そして、アナログ重み係数算出部１６３は、算出した重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNをフェーズシフタ１２０へ通知するとともに、到来方向推定部１６１へも通知する。

デジタル重み係数算出部１６４は、グループ生成部１６２によって生成されたユーザの各グループについて、ユーザごとのデジタル信号の重み付けに用いられる重み係数を算出する。具体的には、デジタル重み係数算出部１６４は、ユーザごとの基準ユーザとの方向の違いに対応する重み係数を算出する。換言すれば、デジタル重み係数算出部１６４は、式（６）におけるｅのべき乗部分に対応する重み係数をユーザごとに算出する。

重み付け処理部１６５は、デジタル重み係数算出部１６４によって算出された重み係数を用いて、各グループのユーザごとの信号を重み付けする。すなわち、重み付け処理部１６５は、それぞれのユーザについて算出された重み係数を、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍへ入力される信号又はＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍから出力される信号に乗算する。

信号処理部１６６は、各ユーザ宛てのデータを符号化及び変調して送信信号を生成したり、各ユーザから受信した受信信号を復調及び復号したりする。このとき、信号処理部１６６は、グループ生成部１６２によるグループ分けに従って、例えばグループごとのユーザ宛ての送信信号をまとめて生成しても良い。また、信号処理部１６６は、グループ生成部１６２によるグループ分けに従って、例えばグループごとのユーザが無線通信装置１００宛てに同時に信号を送信するようにスケジューリングをし、各ユーザにスケジューリングの結果を通知する制御信号を生成しても良い。

このように、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎとアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍとをインタリーブ方式によって接続し、受信信号の到来方向の三角関数による写像によってユーザをグループ分けすることにより、複数のユーザに対して同時に十分な電力強度のビームを向けることができる。しかしながら、上述したように、インタリーブ方式で接続する場合には、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎとアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍとを接続するラインが交差し、配線が複雑化する。このため、本実施の形態においては、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎの配置を調整し、ビーム品質を維持しつつ、配線の複雑化を抑制する。

一実施の形態に係る無線通信装置１００の構成は、図１に示す無線通信装置１００と同様であるため、その説明を省略する。本実施の形態においては、接続スイッチ１３０によるアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎとアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍとの接続が図２に示したインタリーブ方式とは異なる。

図５は、一実施の形態に係る接続スイッチ１３０による接続の一例を示す図である。図５に示すように、接続スイッチ１３０は、例えばアナログ処理部１４０−１とアンテナ素子１１０−１から連続して並ぶ（Ｎ／Ｍ）本のアンテナ素子とを接続し、アナログ処理部１４０−Ｍとアンテナ素子Ｎまでの連続して並ぶ（Ｎ／Ｍ）本のアンテナ素子とを接続する。すなわち、接続スイッチ１３０は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎのうち互いに隣接する（Ｎ／Ｍ）本のアンテナ素子を１つのサブアレイとして、同一のアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍに接続する。このとき、接続スイッチ１３０は、アンテナ素子間の間隔が等間隔ではないアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎとアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍとを接続する。

以下、一実施の形態に係るアンテナ素子の配置について、図６を参照しながら具体的に説明する。

本実施の形態においては、１つのサブアレイ内のアンテナ素子間の間隔は、送受信される電波の波長λの２分の１に等しい間隔ｄよりも大きい。具体的には、１つのサブアレイ内のアンテナ素子間の間隔は、間隔ｄのサブアレイ数Ｍ倍である。したがって、例えばアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎが４つのサブアレイに分けられ、それぞれのサブアレイ内のアンテナ素子がアナログ処理部１４０−１〜１４０−４に接続される場合には、各サブアレイ内のアンテナ素子間の間隔は４ｄとなる。この間隔は、インタリーブ方式のサブアレイがアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍに接続される場合と等しい。ただし、本実施の形態においては、サブアレイ内のアンテナ素子間に他のサブアレイのアンテナ素子が配置されないため、ラインが交差することはない。

また、異なるサブアレイ間の間隔は、各サブアレイを配置することが許容される位置によって規定される。すなわち、間隔ｄを単位間隔として設定される位置に端から順に番号を付与した場合、各サブアレイは、サブアレイ数Ｍで除算した剰余が異なる番号の位置に配置される。したがって、例えばサブアレイ数が４の場合、１つのサブアレイは、４で除算した剰余が０となる番号の位置に配置され、他の１つのサブアレイは、４で除算した剰余が１となる番号の位置に配置され、他の１つのサブアレイは、４で除算した剰余が２となる番号の位置に配置され、残りの１つのサブアレイは、４で除算した剰余が３となる番号の位置に配置される。

具体的に、例えば１２本のアンテナ素子１１０−１〜１１０−１２が４つのサブアレイに分けられ、それぞれのサブアレイがアナログ処理部１４０−１〜１４０−４に接続される場合を考える。この場合、例えば図６の（ａ）に示すように、単位間隔ｄずつ離れた位置番号のうち、サブアレイ数４で除算した剰余が０となる０番、４番、８番の位置に１つのサブアレイ＃０のアンテナ素子が配置される。そして、サブアレイ数４で除算した剰余が１となる９番、１３番、１７番の位置に１つのサブアレイ＃１のアンテナ素子が配置される。さらに、サブアレイ数４で除算した剰余が２となる１８番、２２番、２６番の位置に１つのサブアレイ＃２のアンテナ素子が配置される。

このように、それぞれのサブアレイ内のアンテナ素子間の間隔は、単位間隔ｄのサブアレイ数倍に等しい４ｄであると同時に、それぞれのサブアレイのアンテナ素子は、サブアレイ数４で除算した剰余が異なる番号の位置に配置される。そして、１つのサブアレイのアンテナ素子が配置される最大の位置番号よりも大きい位置番号が付与される位置に、他のサブアレイのアンテナ素子が配置される。このため、各サブアレイのアンテナ素子間に他のサブアレイのアンテナ素子が配置されることがなく、ラインが交差しない図５に示した接続を実現することができる。換言すれば、ビーム品質を維持しつつ、配線の複雑化を抑制することができる。

なお、上述した例において、それぞれのサブアレイのアンテナ素子がサブアレイ数４で除算した剰余が異なる番号の位置に配置されていれば、図６（ａ）以外のアンテナ配置にすることも可能である。例えば図６（ｂ）に示すように、サブアレイ数４で除算した剰余が１となる１７番、２１番、２５番の位置に１つのサブアレイ＃１のアンテナ素子が配置され、サブアレイ数４で除算した剰余が２となる１０番、１４番、１８番の位置に１つのサブアレイ＃２のアンテナ素子が配置されても良い。

この場合、サブアレイ＃１に属する１７番の位置のアンテナ素子がサブアレイ＃２に属する１４番及び１８番の位置のアンテナ素子に挟まれる。このため、アンテナ素子とアナログ処理部とを接続するラインが交差することになるが、インタリーブ方式と比較すると交差する位置が少なく、配線の複雑化を抑制することができる。

このように、本実施の形態に係るアンテナ配置では、０以上サブアレイ数Ｍ未満のサブアレイごとに異なる整数ｋに対して、単位間隔ｄずつ離れた位置のうち端から（ｍＭ＋ｋ）番目（ｍは任意の整数）の位置に各サブアレイのアンテナ素子が配置される。換言すれば、各サブアレイに属するアンテナ素子それぞれは、０以上サブアレイ数Ｍ未満のサブアレイごとに異なる整数ｋに対して、一端に配置された基準アンテナ素子から（ｍＭ＋ｋ）ｄ離れた位置に配置される。

そして、望ましくは、各サブアレイ内において、アンテナ素子間の間隔を単位間隔ｄのサブアレイ数Ｍ倍とする。さらに、異なる２つのサブアレイのうち一方のサブアレイに属するすべてのアンテナ素子が他方のサブアレイに属するすべてのアンテナ素子よりも基準アンテナ素子から離れるように配置される。このような配置により、サブアレイ内のアンテナ素子間の間隔とサブアレイ間のアンテナ素子間の間隔とは異なり、複数のアンテナ素子が等間隔で並ばないことになる。また、接続スイッチ１３０におけるラインの交差を回避することができ、配線の複雑化を抑制することができる。

また、サブアレイ内では、各アンテナ素子間の間隔を単位間隔ｄのサブアレイ数倍とすることで、上式（６）から分かるように、サブアレイ内の各アンテナ素子の重み係数の位相が２π間隔の位相となる。さらに、各サブアレイのアンテナ素子の位置番号を、サブアレイ数で除算した剰余が異なる位置番号とすることで、各アンテナ素子の重み係数の位相がサブアレイごとに異なる位相を基準とした２π間隔の位相となる。この結果、上式（２）を満たす角度α、βの方向へ同時にビームを形成する場合、一方のメインビームは、他方のビームパターンのヌルの方向に形成される。

図７（ａ）は、上述したインタリーブ方式でアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎとアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍとを接続した場合のビームパターンを示す図である。この図に示すように、一方のメインビームは、他方のビームパターンのヌルの方向に形成されている。すなわち、あるユーザの方向を向くメインビームが、他のユーザに対応するグレーティングローブが形成されない方向に形成される。このため、各ユーザに対して十分な電力強度のビームを向けることができる。

一方、図７（ｂ）は、本実施の形態に係るアンテナ配置で配置されたアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎとアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍとを接続した場合のビームパターンを示す図である。この図に示すように、それぞれの方向のメインビームの強度は、インタリーブ方式で接続した場合と同等であるとともに、一方のメインビームは、他方のビームパターンのヌルの方向に形成されている。換言すれば、ラインを交差させずにアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎとアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍとを接続した場合でも、上述したインタリーブ方式と同等の品質のビームを形成することが可能である。

次に、上記のように構成された無線通信装置１００によるビーム形成処理について、図８に示すフロー図を参照しながら説明する。

無線通信装置１００は、通信相手となる複数のユーザから送信された信号を受信すると、全ユーザからの受信信号の到来方向を推定する（ステップＳ１０１）。具体的には、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎによって受信された受信信号がアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍによってダウンコンバートされ、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−ＭによってＡＤ変換される。そして、得られたデジタルの受信信号は、プロセッサ１６０の到来方向推定部１６１へ入力され、到来方向推定部１６１によって、フェーズシフタ１２０に設定された重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNを考慮した各受信信号の到来方向が推定される。このとき、到来方向としては、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎが並ぶ配列方向に対して垂直な方向を０度とした角度が推定される。このようにして推定された角度は、各ユーザの位置を示す角度である。

そして、各ユーザの位置を示す角度の正弦による写像がグループ生成部１６２によって算出される（ステップＳ１０２）。そして、グループ生成部１６２によって、ユーザのグループ分けが実行される。このグループ分けは、同時に送受信するユーザを同一のグループに所属させるグループ分けである。

具体的には、グループ生成部１６２によって、まだ所属するグループが決定していないいずれかのユーザが基準ユーザに設定される（ステップＳ１０３）。続いて、まだ所属するグループが決定していない他のユーザが選択され（ステップＳ１０４）、選択されたユーザに関する写像と基準ユーザに関する写像との差分が算出される。差分が算出されると、この差分が条件を満たすか否かが判定され（ステップＳ１０５）、条件を満たす場合には（ステップＳ１０５Ｙｅｓ）、選択されたユーザは、基準ユーザと同一グループに所属すると判定される（ステップＳ１０６）。

ここで、基準ユーザと選択されたユーザとが同一グループに所属するか否かの判定に用いられる条件とは、以下のようなものである。すなわち、正弦による写像空間において、基準ユーザ及び選択されたユーザの写像の差分が、ビーム形成可能範囲をアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍの数Ｍで等分した間隔の倍数にほぼ等しい場合に、基準ユーザと選択されたユーザとが同一グループに所属する。換言すれば、基準ユーザに関する写像をｓｉｎαとし、選択されたユーザに関する写像をｓｉｎβとした場合に、ｓｉｎβが上式（２）を満たす場合に、基準ユーザと選択されたユーザとが同一グループに所属する。

このようにして、選択されたユーザが基準ユーザと同一グループに所属するか否かが判定された後、所属グループが未決定のすべてのユーザが既に選択されたか否かが判定される（ステップＳ１０７）。この判定の結果、まだ選択されていないユーザがある場合には（ステップＳ１０７Ｎｏ）、これらのユーザのうちのいずれかのユーザが選択され（ステップＳ１０４）、上記と同様に基準ユーザと同一グループに所属するか否かの判定が行われる。

そして、すべてのユーザが選択済みとなると（ステップＳ１０７Ｙｅｓ）、すべてのユーザがいずれかの基準ユーザと同一グループに所属し、全ユーザのグループ分けが完了したか否かが判定される（ステップＳ１０８）。この判定の結果、いずれのグループにも所属していないユーザがある場合には（ステップＳ１０８Ｎｏ）、これらのユーザのうちのいずれかのユーザが基準ユーザに設定され（ステップＳ１０３）、上記と同様に各ユーザが基準ユーザと同一グループに所属するか否かの判定が行われる。

このようなグループ分けがグループ生成部１６２によって実行され、全ユーザのグループ分けが完了すると（ステップＳ１０８Ｙｅｓ）、アナログ重み係数算出部１６３及びデジタル重み係数算出部１６４によって、各グループについての重み係数が算出される（ステップＳ１０９）。そして、アナログ重み係数算出部１６３によって算出されたグループごとの重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNは、フェーズシフタ１２０へ出力され、それぞれのアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎに設定される。また、デジタル重み係数算出部１６４によって算出されたグループごとの重み係数は、重み付け処理部１６５へ出力され、各グループのユーザごとにＭ個の重み係数が設定される（ステップＳ１１０）。

以後、グループごとに信号の送受信が行われ、それぞれのグループの信号の送受信が行われる際には、該当するグループの重み係数がフェーズシフタ１２０及び重み付け処理部１６５に設定される。これにより、各ユーザの方向に向くビームの電力強度がほぼ等しくなり、複数のユーザに対して同時に十分な電力強度のビームを向けることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、サブアレイ内のアンテナ素子間の間隔を単位間隔ｄのサブアレイ数倍とし、単位間隔ｄずつ離れた位置番号のうちサブアレイ数Ｍで除算した剰余が異なる番号の位置に各サブアレイのアンテナ素子を配置する。これにより、連続して並ぶ複数のアンテナ素子を１つのサブアレイとして同一のアナログ処理部と接続しても、複数の方向に十分な電力強度のビームを向けることができる。すなわち、ビーム品質を維持しつつ、配線の複雑化を抑制することができる。

１１０−１〜１１０−Ｎ アンテナ素子
１２０ フェーズシフタ
１３０ 接続スイッチ
１４０−１〜１４０−Ｍ アナログ処理部
１５０−１〜１５０−Ｍ ＤＡ／ＡＤ変換部
１６０ プロセッサ
１６１ 到来方向推定部
１６２ グループ生成部
１６３ アナログ重み係数算出部
１６４ デジタル重み係数算出部
１６５ 重み付け処理部
１６６ 信号処理部

Claims (5)

1. 一列に並ぶ複数のアンテナ素子と、
   前記複数のアンテナ素子に接続され、前記アンテナ素子によって送受信される信号に対するアナログ処理を実行するＭ個（Ｍ≧２）のアナログ処理部とを有し、
   前記複数のアンテナ素子は、
   同一のアナログ処理部に接続されるアンテナ素子ごとにサブアレイを形成し、形成されたＭ個のサブアレイに属するアンテナ素子それぞれが、サブアレイごとに異なる整数ｋ（０≦ｋ＜Ｍ）に対して、一端に配置された基準アンテナ素子から（ｍＭ＋ｋ）ｄ（ｍは任意の整数、ｄは所定の単位間隔）離れた位置に配置される
   ことを特徴とする無線通信装置。
2. 前記複数のアンテナ素子は、
   各サブアレイ内において、Ｍｄずつの間隔を空けて配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
3. 前記複数のアンテナ素子は、
   異なる２つのサブアレイのうち一方のサブアレイに属するすべてのアンテナ素子が他方のサブアレイに属するすべてのアンテナ素子よりも基準アンテナ素子から離れるように配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
4. 前記複数のアンテナ素子を用いて指向性ビームを形成するプロセッサをさらに有し、
   前記プロセッサは、
   複数のユーザから送信された信号の到来方向を推定し、
   推定された到来方向を示す角度の三角関数による写像を算出し、
   算出された写像に基づいて、前記複数のユーザをグループ分けし、
   グループ分けの結果得られるグループごとに、グループに属するユーザの方向へ指向性ビームを形成するための重み係数を決定する
   処理を実行することを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
5. 信号に対するアナログ処理を実行するＭ個（Ｍ≧２）のアナログ処理部を有する無線通信装置におけるアンテナ配置方法であって、
   複数のアンテナ素子を並べて配置する列の一端に基準アンテナ素子を配置し、
   同一のアナログ処理部に接続されるアンテナ素子それぞれを、接続されるアナログ処理部に応じて異なる整数ｋ（０≦ｋ＜Ｍ）に対して、前記基準アンテナ素子から（ｍＭ＋ｋ）ｄ（ｍは任意の整数、ｄは所定の単位間隔）離れた位置に配置する
   ことを特徴とするアンテナ配置方法。

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