JP2019118092A - 基地局およびアンテナ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動局の移動に応じて、基地局および移動局のアンテナ間のチャネル容量が低下することを抑制する。【解決手段】基地局は、移動局２００の移動方向を示す情報に基づいて、アンテナ１０５−１および１０５−２のセットの向きを、移動局２００において移動方向を基準に対称に配置されたアンテナ２０１−１および２０１−２のセットの向きに対して回転させる。【選択図】図９

Description

本開示は、基地局およびアンテナ制御方法に関する。

ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）伝送は、見通し外（ＮＬＯＳ：Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅ ｏｆ Ｓｉｇｈｔ）通信をターゲットとしていた。

アンテナ間隔を波長よりも大きく設定した場合、見通し内（ＬＯＳ：Ｌｉｎｅ ｏｆ Ｓｉｇｈｔ）通信においても、アンテナ数に応じてＭＩＭＯ伝送における通信路の容量を増加できる（例えば、下記の非特許文献１を参照）。「通信路」は、「伝送路」、「伝搬路」、又は、「チャネル」と称されてもよい。なお、以下において、「見通し内ＭＩＭＯ」を「ＬＯＳ−ＭＩＭＯ」と表記する。

また、アンテナの向きを制御する技術として、衛星通信において、受信信号の受信レベルに基づいて、地球局（地球上の基地局）のアンテナ本体の回転角（方位角、仰角、および、偏波角）を制御する衛星捕捉制御装置が記載されている（例えば、下記の特許文献１を参照）。

特開２００３−２７３６３１号公報

Ｐ．Ｆ．Ｄｒｉｅｓｓｅｎ ａｎｄ Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ，"Ｏｎ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｉｎｐｕｔ−ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｏｕｔｐｕｔ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｈａｎｎｅｌｓ： ａ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｃｏｍｍ．， ｖｏｌ．４７，ｎｏ．２，ｐｐ．４１−５９，Ａｕｔｕｍｎ １９６６．

基地局（基地局装置）と移動局（移動端末装置）との間の無線通信に対してＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送の適用を試みた場合、移動局の移動に応じて、基地局および移動局のアンテナ間のチャネル位相が回転することによって、チャネル容量が低下し得る。

本開示の非限定的な実施例は、移動局の移動に応じて基地局および移動局のアンテナ間のチャネル容量が低下することを抑制できる基地局およびアンテナ制御方法の提供に資する。

本開示の一態様に係る基地局は、対称軸を基準に対称に配置された第１のアンテナおよび第２のアンテナと、移動局の移動方向を示す情報に基づいて、前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナのセットの向きを、前記移動局において前記移動方向を基準に対称に配置された第３のアンテナおよび第４のアンテナのセットの向きに対して回転させるアンテナ回転機構と、を備える。

また、本開示の一態様に係るアンテナ制御方法は、対称軸を基準に対称に配置された第１のアンテナ及び第２のアンテナを有する基地局において移動局の移動方向を示す情報を取得し、前記移動方向を示す情報に基づいて、前記基地局における前記第１のアンテナ及び第２のアンテナのセットの向きを、前記移動局において前記移動方向を基準に対称に配置された第３のアンテナ及び第４のアンテナのセットの向きに対して回転させる。

なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

本開示の一態様によれば、移動局の移動に応じて、基地局および移動局のアンテナ間のチャネル容量が低下することを抑制できる。

本開示の一態様における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および／または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。

実施の形態に係る基地局の構成の一例を示す図 図１に示した回転部の構成の一例を示す図 実施の形態に係る移動局のアンテナ配置の一例を示す図 実施の形態に係る基地局−移動局間のＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送モデルの一例を示す図 実施の形態に係る基地局のアンテナ方位角（θ_Ｔ）の定義を説明する図 実施の形態に係る基地局のアンテナ方位角（θ_Ｔ）が０度の場合における移動局の位置に対するストリーム間平均チャネル容量の一例を示す図 実施の形態に係る基地局のアンテナ方位角（θ_Ｔ）が４５度の場合における移動局の位置に対するストリーム間平均チャネル容量の一例を示す図 実施の形態に係る基地局のアンテナ方位角（θ_Ｔ）が９０度の場合における移動局の位置に対するストリーム間平均チャネル容量の一例を示す図 実施の形態に係る、移動局の位置に対するストリーム間平均チャネル容量が最大となる基地局のアンテナ方位角（θｍａｘ）の一例を示す図 図７に示したアンテナ方位角（θｍａｘ）の度数分布の一例を示す図 実施の形態に係る基地局のアンテナ方位角の設定例を示す図 実施の形態に係る基地局のアンテナ方位角（θ_Ｔ）に対するストリーム間平均チャネル容量の変化の一例を示す図 実施の形態に係る送受信アンテナ間の伝搬モデルの一例を示す図 実施の形態に係るアレーアンテナによるアンテナ方位角の回転例を示す図

以下、図面を適宜参照して、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

非特許文献１に記載のＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送において、ｉ番目の送信アンテナからｋ番目の受信アンテナに向かうチャネルの位相回転（位相差）θ_ｉｋは、下記の式（１）によって表すことができる。

ここで、基地局に、２本の送信アンテナが備えられ、移動局に、２本の受信アンテナが備えられた伝搬モデルについて検討する。

見通し内移動通信では、基地局と移動局との間の通信距離（別言すると、伝搬環境）が時々刻々と変化する。

伝搬環境に変化が生じる場合に式（１）が満たされるためには、例えば、基地局と移動局との位置関係に基づいて、基地局のアンテナ（例えば、送信アンテナ）および移動局のアンテナ（例えば、受信アンテナ）の配置を制御する。なお、アンテナの配置に関するパラメータには、例えば、アンテナ間隔およびアンテナの向き（便宜的に「アンテナ方向」と称することがある）が含まれ得る。

アンテナ間隔を制御することは、アンテナ方向を制御することに比べて難しいと考えられるため、以下では、アンテナ方向の制御に着目して説明を行う。

送信アンテナ数および受信アンテナ数が共に２本のＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送において、例えば、２本の受信アンテナの位置が２本の送信アンテナの位置に対して変化する場合、式（１）におけるθ_ｉｋが、θ_１１＝θ_２１、かつ、θ_１２＝θ_２２となる場合がある。

例えば、２本の送信アンテナを結ぶ直線と、２本の受信アンテナを結ぶ直線と、のなす角が９０度である場合に、θ_１１＝θ_２１、かつ、θ_１２＝θ_２２が成立する。

この場合、２本の送信アンテナと２本の受信アンテナとの間において得られる平均伝送容量は、実質的に、ＳＩＳＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）伝送相当のチャネル容量にとどまる。

θ_１１＝θ_２１、かつ、θ_１２＝θ_２２が成立する場合に、例えば特許文献１に記載のようにアンテナ本体を回転させても、２本の送信アンテナから１本の受信アンテナに到達する２つの信号（ストリーム）の経路長差は変化しない。そのため、アンテナ間のチャネルの位相回転θ_ｉｋも変化せず、チャネル容量の改善を期待することは難しい。

以下では、基地局と移動局との間のＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送において移動局が移動することによって基地局アンテナと移動局アンテナとの間のチャネル容量が低下することを抑制する技術の一例について説明する。

以下の説明において、基地局１００、移動局２００の構成要素に用いる「・・・部」という表記は、「・・・回路（circuitry）」、「・・・デバイス」、「・・・ユニット」、又は、「・・・モジュール」といった他の表記に置換されてもよい。

図１は、実施の形態に係る基地局１００の構成の一例を示す図である。
基地局１００は、例えば、ベースバンド処理部１０２と、無線部１０３と、回転部１０４と、２本の送信アンテナ１０５−１および１０５−２と、を備える。

ベースバンド処理部（処理回路）１０２は、送信データ系列１０１に対してベースバンド（ＢＢ）信号処理を行う。ＢＢ信号処理には、例示的に、スクランブル処理、誤り訂正符号化処理、ストリーム分割処理、コンスタレーションマッピング処理、インターリーブ処理、プリコーディング処理、パルス整形処理、および、デジタル−アナログ（ＤＡ）変換処理が含まれてよい。

無線部（無線回路）１０３は、ベースバンド処理部１０２の出力信号に対して、例えば、周波数変換処理、直交変調処理、アナログビームフォーミング処理、および、増幅処理を行う。

回転部１０４は、アンテナ回転機構の一例であり、例えば図２に示すように、円盤形状の回転体１０４１を有する。回転体１０４１は、平面視において回転体１０４１の中心に位置する回転軸１０４１ａを中心に水平面内を３６０度回転可能である。

回転体１０４１の一方の面に、送信アンテナ１０５−１および１０５−２が固定されている。送信アンテナ１０５−１および１０５−２のそれぞれは、図２に示すように、円盤の中心から半径方向に等距離（Ｄ_Ｔ／２）の位置にある。

別言すると、送信アンテナ１０５−１および１０５−２は、回転体１０４１において、送信アンテナ１０５−１および１０５−２を結ぶ線分の中心（垂直二等分線）を軸（別言すると、対称軸を基準）に左右対称に配置される。

したがって、送信アンテナ１０５−１と、送信アンテナ１０５−２と、間の距離はＤ_Ｔである。また、送信アンテナ１０５−１および１０５−２は、送信アンテナ１０５−１および１０５−２の対称軸を回転軸１０４１ａとして回転する。

回転体１０４１回転方向は、一定方向でもよいし、順方向と逆方向とに切り替えられてもよい。回転体１０４１の回転駆動は、例えば、図示を省略したモータなどを含む駆動回路によって制御されてよい。また、回転体１０４１の回転駆動は、例えば、基地局１００において取得される移動局情報１０６に基づいて制御されてよい。なお、回転部１０４は、後述するように、送信アンテナ１０５−１および１０５−２のセットを電子的に回転させてもよい。

移動局情報１０６は、例えば、基地局１００と移動局２００（図３参照）との無線通信によって移動局２００から受信してもよいし、移動局２００と通信する、基地局１００とは異なる機器から受信してもよい。

移動局情報１０６には、例示的に、移動局２００の位置情報（例えば、緯度、経度、および、高度）、移動局２００の進行（移動）方向（方位角）、移動局２００の移動速度、移動局２００の傾き（ロール角、ヨー角、および、ピッチ角）、および、基地局１００と移動局２００との間のチャネルの推定値が含まれてよい。

移動局２００は、例えば、航空機、ヘリコプター、および、ドローンといった飛行体であってよい。飛行体に、後述するように２本の受信アンテナが備えられてよい。航空機が移動局２００に相当する場合、航空機の運航情報が移動局情報１０６として基地局２００に与えられてもよい。

運航情報には、航空機毎にフライト時刻およびフライトルートがスケジュールされたフライト情報が含まれてよい。フライト情報から基地局１００に対する航空機の進行方向を特定できる。

無線部１０３の出力信号すなわち無線信号は、送信アンテナ１０５−１および１０５−２から移動局２００に向けて放出される。

図３は、移動局２００に備えられた受信アンテナ２０１−１および２０１−２の配置の一例を示す図である。

受信アンテナ２０１−１および受信アンテナ２０１−２は、例えば、両者を結ぶ線分の垂直二等分線（対称軸）の方向が、移動局２００の進行方向と一致するように、左右対称に移動局２００に設置されている。受信アンテナ２０１−１と受信アンテナ２０１−２との間隔は、例えばＤ_Ｒである。

なお、基地局１００に、送信アンテナ１０５−１および１０５−２に加えて又は代えて、図３に例示した受信アンテナ２０１−１および２０１−２に相当する２本の受信アンテナが備えられてもよい。また、移動局２００に、受信アンテナ２０１−１および２０１−２に加えて又は代えて、図１および図２に例示した送信アンテナ１０５−１および１０５−２に相当する２本のアンテナが備えられてもよい。

別言すると、基地局１００と移動局２００との間の無線通信は、片方向（ｕｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）であってもよいし、双方向（ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）であってもよい。送信アンテナ１０５−１および１０５−２を回転させる機構（例えば、回転部１０４）は、受信アンテナ２０１−１および２０１−２の回転に適用されてもよい。

以上の構成を用いて、基地局１００と移動局２００との間において、ＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送が行われる。例えば、基地局１００と、移動局２００の一例である航空機といった飛行体と、の間において、データがＬＯＳ−ＭＩＭＯによって伝送されてよい。データには、動画像（ビデオ）データ、静止画像（ピクチャ）データ、テキストデータ、音声データ、および、制御データの少なくとも１つが含まれてよい。

＜回転部の制御方法の一例＞
次に、回転部１０４の回転角の制御方法について説明する。
図４は、実施の形態におけるＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送モデルの一例を示す図である。図４において、基地局１００は、例えば、送信アンテナ１０５−１および１０５−２を結ぶ線分の中心点が三次元直交座標の原点に一致して配置されている。したがって、送信アンテナ１０５−１および１０５−２の中心点の座標は、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）である。

また、送信アンテナ１０５−１および１０５−２は、例えば、図２に例示した中心軸１０４ａに該当するＺ軸を軸に、水平面（ＸＹ平面）において回転する。ここで、例えば図５に示すように、送信アンテナ１０５−１および１０５−２を結ぶ線分のＸＹ平面における垂直二等分線とＹ軸とがなす角を方位角θ_Ｔと定義する。

方位角θ_Ｔを、以下、便宜的に「アンテナ方位角θ_Ｔ」又は「送信アンテナ方位角θ_Ｔ」と記載することがある。実施の形態において、送信アンテナ方位角θ_Ｔの範囲は、「−１８０度≦θ_Ｔ＜＋１８０度」である。

一方、移動局２００の受信アンテナ２０１−１および２０１−２の中心点の座標は、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（ａ，ｂ，ｃ）とする。従って、座標（ａ，ｂ，ｃ）は、基地局１００から見た移動局２００の相対位置を表す。

また、移動局２００は、例えば、高度ｚ＝ｃを維持したままＹ軸に平行に移動すると仮定する。従って、移動局２００の進行方向とＹ軸とがＸＹ平面上でなす角度を、受信アンテナ２０１−１および２０２−２の方位角θ_Ｒと定義した場合、図４のＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送モデルにおいて、移動局２００は、θ_Ｒ＝０度を維持して移動する。なお、方位角θ_Ｒを、以下、便宜的に「アンテナ方位角θ_Ｒ」又は「受信アンテナ方位角θ_Ｒ」と記載することがある。

実施の形態において、ｃ＝１００００ｍ（メートル）、かつ、移動局２００が移動し得る範囲を「−１００００ｍ≦ａ≦＋１００００ｍ」、および、「−１００００ｍ≦ｂ≦＋１００００ｍ」である。また、送信アンテナ１０５−１および１０５−２のアンテナ間隔Ｄ_Ｔ、並びに、受信アンテナ２０１−１および２０１−２のアンテナ間隔Ｄ_Ｒを、下記の式（２）によって表す。

式（２）において、「λ」は、搬送波の波長を表し、例えば、テラヘルツ帯の波長λ＝１ｍｍである。

図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃに、ＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送モデルにおける固有モード伝送のストリーム間平均チャネル容量の一例を示す。

図６Ａは、方位角θ_Ｔ＝０度の場合における移動局２００の位置に対するストリーム間平均チャネル容量の一例を示す。

図６Ｂは、方位角θ_Ｔ＝４５度の場合における移動局２００の位置に対するストリーム間平均チャネル容量の一例を示す。

図６Ｃは、方位角θ_Ｔ＝９０度の場合における移動局２００の位置に対するストリーム間平均チャネル容量の一例を示す。

図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃに示すように、移動局２００の位置が変わらない場合であっても、方位角θ_Ｔによってストリーム間平均チャネル容量は変動する。

図７は、移動局２００の各位置においてθ_Ｔを−１８０度≦θ_Ｔ≦＋１８０度の角度範囲で変化させたときに、ストリーム間平均チャネル容量が最大となった方位角θ_Ｔ＝θｍａｘを示す。

図７に示すように、移動局２００の位置によってθｍａｘが異なる。なお、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、及び、図７において、基地局１００は、ａ＝ｂ＝０の座標に位置する。また、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、及び、図７において、移動局２００は、例えば、座標ｃの値は一定（例えば、ｃ＝１００００ｍ）の状態で、右下から左上に向かう方向、別言すると、座標ａの値及び座標ｂの値が増加する方向へ移動する。

例えば、移動局２００は、「ａ」を一定（例えば、ａ＝−１００００ｍ）に保った状態で、「ｂ」が増加する方向（図４のＹ軸の正方向に対応）に移動し、ｂ＝１００００ｍに到達した場合、次に「ａ」を増やして（例えば、ａ＝−９０００ｍに設定して）、「ｂ」が増加する方向に移動する。かかる座標操作を例えばａ＝１００００ｍになるまで繰り返すことで、移動局２００の移動が再現される。

図８は、図７に示したθｍａｘの度数分布の一例を示す図である。図８より、θｍａｘ＝０度付近に分布が集中する傾向にあることが分かる。図４のＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送モデルでは、θ_Ｒ＝０度であるため、θ_Ｔ＝θ_Ｒ、あるいは、θ_Ｔ≒θ_Ｒが成立する場合に、ストリーム間平均チャネル容量が最大になる傾向がある。

以上から、簡易な構成及び／又は制御によってチャネル容量を改善する方法の一例としては、以下の２つの方法が考えられる。

例えば図４におけるＹ軸を、基地局１００を通る子午線と読み替え、Ｙ軸の向きを子午線の北方向とする。現実世界では、航空機といった移動局２００は、様々な方角に向かって移動するため、必ずしもθ_Ｒ＝０度ではない。

第１の方法では、基地局１００は、例えば、移動局情報１０６から得られる移動局２００の進行方向（例えば、方位角θ_Ｒ）に基づいて、回転部１０４の回転角を制御することで、送信アンテナ−受信アンテナ間の相対的な向きを制御する。

例えば図９に示すように、送信アンテナ１０５−１および１０５−２を結ぶ直線と、移動局２００の受信アンテナ２０１−１および２０１−２を結ぶ直線と、が平行（例えば、θ_Ｔ＝θ_Ｒ）、あるいは、ほぼ平行（例えば、θ_Ｔ≒θ_Ｒ）になるように、回転部１０４の回転角が制御される。

また、第２の方法の一例としては、ストリーム間平均チャネル容量がθ_Ｔについて１８０度周期で変化することを利用し、回転部１０４を、例えば、一定速度で回転させて、送信アンテナ１０５−１および１０５−２を回転し続ける方法がある。

第２の方法では、回転部１０４の回転速度が遅すぎるため、長時間にわたってチャネル容量が低下し、通信に支障をきたすことがある。そのため、例えば、チャネル容量が連続的に低下する時間（以下「連続低下時間」と略称する）に上限を設けるなどして、回転部１０４の回転速度を決める。

図１０は、横軸にθ_Ｔ、縦軸に図６に示した２０ｋｍ（キロメートル）四方のストリーム間平均チャネル容量の平均値の一例を示す図である。

例えば、最大チャネル容量に対してチャネル容量が連続して容量閾値（例えば、７０％）以下に落ち込む時間を連続低下時間と定義した場合、図１０では、「−９７．７度≦θ_Ｔ＜−８２．３度」および「８２．３度≦θ_Ｔ＜９７．７度」の１５．４度の角度範囲が連続低下時間の対象となる。

従って、連続低下時間の上限を例えば０．１秒とした場合、回転部１０４の回転速度は、１５．４度／０．１ｓｅｃ＝１５４度／ｓｅｃ（閾値速度）以上の回転速度に設定されてよい。

上述した第１の方法および第２の方法は、平均的なチャネル容量の改善を図るための方法である。以下では、ストリーム間平均チャネル容量を最大化するための回転部１０４の回転角の設定例について説明する。

図１１に示すように、基地局１００と移動局２００との間のチャネル行列Ｈは、下記の式（３）によって表すことができる。

式（３）において、α_ｋｉ（単位は「度（ｄｅｇｒｅｅ）」）は、送信アンテナ１０５−１から受信アンテナ２０１−１に向かうチャネルと、送信アンテナ１０５−ｉから受信アンテナ２０１−ｋに向かうチャネルと、間の位相差を表す。ここで、ｉ＝１又は２、ｋ＝１又は２であり、α_１１＝０度である。

チャネル行列Ｈは、ＵおよびＶのユニタリ行列を用いた特異値分解によって、下記の式（４）に示すように分解可能である。

式（４）より、下記の式（５）に示すように、対角行列Ｓが求まる。対角行列Ｓの成分ｓ_１およびｓ_２が固有値に相当する。

このように、固有モード伝送では、あたかも空間上に複数の直交したチャネルが存在するかのように信号が送信される。各チャネルの信号対雑音比（ＳＮＲ）は、固有値ｓ_１およびｓ_２に比例し、チャネル容量Ｃは、ＳＮＲを基に下記の式（６）によって求まる。

従って、ストリーム間平均チャネル容量を最大化するには、固有値ｓ_１およびｓ_２の平均値が最大となるθ_Ｔを求めればよい。固有値ｓ_１および固有値ｓ_２は正数であるため、固有値ｓ_１および固有値ｓ_２の平均値が最大となるθ_Ｔを求めることは、下記の式（７）に示す（ｓ_１＋ｓ_２）^２を最大化するθ_Ｔを求めることに等しい。

式（７）より、下記の式（８）が満たされる場合、別言すると、下記の式（９）が満たされる場合に、（ｓ_１＋ｓ_２）^２が最大となる。

式（９）において、Ｎは整数である。以下、簡単のためＮ＝０、すなわち、｜α_１２＋α_２１−α_２２｜＝１８０度とする。

α_ｋｉは、基地局１００のアンテナ方位角θ_Ｔ、移動局２００のアンテナ方位角θ_Ｒ、および、座標（ｘ，ｙ，ｚ）の関数によって表すことができるので、式（９）は、下記の式（１０）によって表すことができる。

実施の形態では、Ｄ_ＴおよびＤ_Ｒを固定値としているため、送受信アンテナが正対する場合に、ｆ（θ_Ｔ，θ_Ｒ，ｘ，ｙ，ｚ）＝０が成立する。

送受信アンテナが正対する場合とは、例えば、長辺の長さがｃであり、かつ、短辺の長さがＤ_ＴまたはＤ_Ｒである長方形の頂点に、送信アンテナ１０５−１および１０５−２、並びに、受信アンテナ２０１−１および２０１−２が配置される場合である。他の基地局１００と移動局２００との位置関係では、下記の式（１１）が成立する。

ｆ（θ_Ｔ，θ_Ｒ，ｘ，ｙ，ｚ）＞０ （１１）

従って、移動局２００の位置に応じてストリーム間平均チャネル容量を最大化するには、移動局情報１０６から得られる移動局２００の方位角θ_Ｒおよび座標（ｘ，ｙ，ｚ）を式（１１）に代入して、ｆ（θ_Ｔ，θ_Ｒ，ｘ，ｙ，ｚ）を最小化するθ_Ｔを求め、求めたθ_Ｔの値に、回転部１０４の回転角を設定すればよい。なお、ｆ（θ_Ｔ，θ_Ｒ，ｘ，ｙ，ｚ）が最小となる条件を解析する手法には、例えば、勾配法が用いられてよい。

以上のように、上述した実施の形態によれば、基地局１００において、移動局２００の移動方向を示す情報に基づいて、送信アンテナ１０５−１および１０５−２のセットの向きを、移動局２００において移動方向を基準に対称に配置された受信アンテナ２０１−１および２０１−２のセットの向きに対して回転させる。

したがって、ＬＯＳ−ＭＩＭＯにおける送受信アンテナ間のチャネル容量が低下することを抑制できる。よって、例えば、地上局又は海上局に相当する基地局１００と航空機（移動局２００）との間のＬＯＳ−ＭＩＭＯ通信において、様々な方角へ飛行する航空機に対して安定した通信を提供できる。

＜変形例＞
送信アンテナ１０５−１および１０５−２の回転方法は、上述したように、回転体１０４１を回転させることによって、送信アンテナ１０５−１および１０５−２を物理的（又は機械的）に回転させる方法のほか、電子的に回転させる方法であってもよい。

例えば、受信アンテナ２０１−１および２０１−２に対する送信アンテナ１０５−１および１０５−２の向きを電子的に回転させる。例えば図１２に示すように、半径Ｄ_Ｔ／２の円周上に、円中心に対して対称となるように送信アンテナペア（例えば、図１２の送信アンテナ＃１および＃５のペア）を複数（例えば４ペア）配置する。

各送信アンテナペアを構成する２つの送信アンテナが、送信アンテナ１０５−１および１０５−２に対応し得る。例えば、送信アンテナ＃１−＃５のペア、送信アンテナ＃２−＃６のペア、送信アンテナ＃３−＃７のペア、および、送信アンテナ＃４−＃８のペアのそれぞれが、送信アンテナ１０５−１および１０５−２のペアに対応し得る。

送信アンテナ１０５−１および１０５−２を結ぶ線分のＸＹ平面における垂直二等分線と、子午線の北方向と、のなす角を、方位角θ_ｄＴで表す。θ_ｄＴ＝θ_Ｒ、あるいはθ_ｄＴ≒θ_Ｒとなるように、送信アンテナペアを選択する。

あるいは、例えば、一定の時間間隔、かつ、一定の回転方向で、使用する（又は動作させる）送信アンテナペアを切り替える。例えば、送信アンテナ＃１−＃５のペア、送信アンテナ＃２−＃６のペア、送信アンテナ＃３−＃７のペア、および、送信アンテナ＃４−＃８のペアの順に、動作させるアンテナペアを時分割に選択して切り替える。

あるいは、式１０のｆ（θ_Ｔ，θ_Ｒ，ｘ，ｙ，ｚ）が最小となるθ_Ｔを求めて、θ_ｄＴが求めたθ_Ｔに最も近くなるように送信アンテナペアを選択する。

上述のごとくアンテナ方向を電子的に回転させることで、アンテナ方向を物理的又は機械的に回転させる場合に比して、例えば、アンテナ方向の制御応答速度を高めることができる。そのため、例えば、移動局２００の移動に応じたアンテナ方向制御の追従性能を高めることができ、基地局１００と移動局２００とのＬＯＳ−ＭＩＭＯ通信の安定化に資する。

アンテナ方向を電子的に回転させる場合、アンテナ数を増やすことで、回転角の分解能を高めることができる。一方、アンテナ方向を機械的に回転させる場合、電子的に回転させる場合よりも少ないアンテナ数で高い回転角の分解能を得やすい。したがって、アンテナ方向の回転に、電子的な回転及び機械的な回転のいずれを適用するかは、例えば、アンテナ数に応じて得られる回転角の分解能と、回転制御に用いる駆動回路又は機構のコストと、のトレードオフによって決定されてよい。

上述した変形例を含む実施の形態において、移動局２００の「受信アンテナ」２０１−１および２０１−２は、それぞれ「送信アンテナ」に読み替えられてもよい。基地局１００の「送信アンテナ」１０５−１および１０５−２は、それぞれ「受信アンテナ」に読み替えられてもよい。

別言すると、基地局１００から移動局２００への方向（ダウンリンク；ＤＬ）のＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送に着目した場合、基地局１００のアンテナ１０５−１および１０５−２は、送信アンテナに該当し、移動局２００のアンテナ２０１−１および２０１−２は、受信アンテナに該当する。

逆に、移動局２００から基地局１００への方向（アップリンク；ＵＬ）のＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送に着目した場合、移動局２００のアンテナ２０１−１および２０１−２が、送信アンテナに該当し、基地局１００のアンテナ１０５−１および１０５−２が、受信アンテナに該当する。

以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

上記各実施形態では、本開示はハードウェアを用いて構成する例にとって説明したが、本開示はハードウェアとの連携においてソフトウェアでも実現することも可能である。

また、上記各実施形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には、入力端子および出力端子を有する集積回路であるＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）として実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。

また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサを用いて実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＬＳＩ内部の回路セルの接続又は設定を再構成可能なリコンフィギュラブル プロセッサ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を利用してもよい。

さらには、半導体技術の進歩又は派生する別技術により,ＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックを集積化してもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてありえる。

＜本開示のまとめ＞
本開示における基地局は、対称軸を基準に対称に配置された第１のアンテナおよび第２のアンテナと、移動局の移動方向を示す情報に基づいて、前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナのセットの向きを、前記移動局において前記移動方向を基準に対称に配置された第３のアンテナおよび第４のアンテナのセットの向きに対して回転させるアンテナ回転機構と、を備える。

また、本開示における基地局において、前記アンテナ回転機構は、前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナのセットを、前記対称軸を回転軸に回転させる。

また、本開示における基地局において、前記アンテナ回転機構は、基準方位と前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナを結ぶ線分の水平面内における垂直二等分線とが成す第１方位角と、前記基準方位と前記水平面内における前記移動方向とが成す第２方位角と、の差分が最小化される回転角に、前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナのセットの回転角を設定する。

また、本開示における基地局において、前記アンテナ回転機構は、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナのセットを、速度閾値以上の回転速度で回転させる。

また、本開示における基地局において、前記速度閾値は、前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナと、前記第３のアンテナおよび第４のアンテナと、の間の平均的なチャネル容量が、連続的に容量閾値以下となる時間に基づいて決定される。

また、本開示における基地局において、前記第１方位角と前記第２方位角との差分を最小化することは、１８０度−（第１位相差＋第２位相差−第３位相差）を最小化することであり、前記第１位相差は、前記第１のアンテナから前記第３のアンテナへ向かう第１チャネルと、前記第２のアンテナから前記第３のアンテナへ向かう第２チャネルと、の間の位相差であり、前記第２位相差は、前記第１チャネルと、前記第１のアンテナから前記第４のアンテナへ向かう第３チャネルと、の間の位相差であり、前記第３位相差は、前記第１チャネルと、前記第２のアンテナから前記第４のアンテナへ向かう第４チャネルと、の間の位相差である。

また、本開示における基地局において、前記アンテナ回転機構は、前記対称軸を回転軸に回転する回転体を備え、前記回転体において、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナを結ぶ線分の中心が前記回転軸に一致する位置に、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナが設けられる。

また、本開示における基地局において、前記アンテナ回転機構は、前記対称軸を円中心に有する円の円周に沿って配置された複数のアンテナを有し、前記円周に沿って配置された複数のアンテナのうち、前記円の直径に対応する位置に配置された何れか２つのアンテナのペアを前記第１及び第２のアンテナのセットに選択して動作させる。

また、本開示における基地局において、前記第１及び第２のアンテナのセットの選択は、前記円の直径に対応する位置に配置された何れか２つのアンテナの異なるペアを時分割に選択することを含む。

また、本開示におけるアンテナ制御方法は、対称軸を基準に対称に配置された第１のアンテナ及び第２のアンテナを有する基地局において移動局の移動方向を示す情報を取得し、前記移動方向を示す情報に基づいて、前記基地局における前記第１のアンテナ及び第２のアンテナのセットの向きを、前記移動局において前記移動方向を基準に対称に配置された第３のアンテナ及び第４のアンテナのセットの向きに対して回転させる。

本開示は、無線通信システム、例えば、基地局と移動局との間においてＬＯＳ−ＭＩＭＯ伝送を行う移動通信システムに適用できる。

１００ 基地局
１０１ 送信データ系列
１０２ ベースバンド処理部
１０３ 無線部
１０４ 回転部（アンテナ回転機構）
１０４１ 回転体
１０４１ａ 回転軸
１０５−１，１０５−２ 送信アンテナ
１０６ 移動局情報
２００ 移動局
２０１−１，２０１−２ 受信アンテナ

Claims (10)

1. 対称軸を基準に対称に配置された第１のアンテナおよび第２のアンテナと、
   移動局の移動方向を示す情報に基づいて、前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナのセットの向きを、前記移動局において前記移動方向を基準に対称に配置された第３のアンテナおよび第４のアンテナのセットの向きに対して回転させるアンテナ回転機構と、
   を備えた、基地局。
2. 前記アンテナ回転機構は、
   前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナのセットを、前記対称軸を回転軸に回転させる、
   請求項１に記載の基地局。
3. 前記アンテナ回転機構は、
   基準方位と前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナを結ぶ線分の水平面内における垂直二等分線とが成す第１方位角と、前記基準方位と前記水平面内における前記移動方向とが成す第２方位角と、の差分が最小化される回転角に、前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナのセットの回転角を設定する、
   請求項２に記載の基地局。
4. 前記アンテナ回転機構は、
   前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナのセットを、速度閾値以上の回転速度で回転させる、
   請求項１に記載の基地局。
5. 前記速度閾値は、前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナと、前記第３のアンテナおよび第４のアンテナと、の間の平均的なチャネル容量が、連続的に容量閾値以下となる時間に基づいて決定される、
   請求項４に記載の基地局。
6. 前記第１方位角と前記第２方位角との差分を最小化することは、
   １８０度−（第１位相差＋第２位相差−第３位相差）を最小化することであり、
   前記第１位相差は、前記第１のアンテナから前記第３のアンテナへ向かう第１チャネルと、前記第２のアンテナから前記第３のアンテナへ向かう第２チャネルと、の間の位相差であり、
   前記第２位相差は、前記第１チャネルと、前記第１のアンテナから前記第４のアンテナへ向かう第３チャネルと、の間の位相差であり、
   前記第３位相差は、前記第１チャネルと、前記第２のアンテナから前記第４のアンテナへ向かう第４チャネルと、の間の位相差である、
   請求項３に記載の基地局。
7. 前記アンテナ回転機構は、前記対称軸を回転軸に回転する回転体を備え、
   前記回転体において、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナを結ぶ線分の中心が前記回転軸に一致する位置に、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナが設けられた、
   請求項１に記載の基地局。
8. 前記アンテナ回転機構は、
   前記対称軸を円中心に有する円の円周に沿って配置された複数のアンテナを有し、
   前記円周に沿って配置された複数のアンテナのうち、前記円の直径に対応する位置に配置された何れか２つのアンテナのペアを前記第１及び第２のアンテナのセットに選択して動作させる、
   請求項１に記載の基地局。
9. 前記第１及び第２のアンテナのセットの選択は、前記円の直径に対応する位置に配置された何れか２つのアンテナの異なるペアを時分割に選択することを含む、
   請求項８に記載の基地局。
10. 対称軸を基準に対称に配置された第１のアンテナ及び第２のアンテナを有する基地局において移動局の移動方向を示す情報を取得し、
    前記移動方向を示す情報に基づいて、前記基地局における前記第１のアンテナ及び第２のアンテナのセットの向きを、前記移動局において前記移動方向を基準に対称に配置された第３のアンテナ及び第４のアンテナのセットの向きに対して回転させる、
    アンテナ制御方法。

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