JP2019208165A - 無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法 - Google Patents

無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法 Download PDF

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Abstract

【課題】不要波の影響を抑制し、希望波を低雑音で受信することのできる無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法を提供する。【解決手段】アレイアンテナ110に配列された各アンテナ素子110−1〜110−Nが受信した受信信号に基づいて、受信系演算部300が方向探知処理及びデジタルビームフォーミング処理を実行し、主ビームとヌルビームの指向方向を決定する。その結果に基づいて、送信系演算部200が、各アンテナ素子110−1〜110−Nに対応する振幅及び位相の補正量を演算して送信系振幅位相補正部126に出力する。送信系振幅位相補正部126は送信用変調信号を送信系演算部200から入力された振幅及び位相に補正した信号を出力する。そして、振幅及び位相を補正した補正変調信号をデジタル信号に変換し、無線周波数にアップコンバートして増幅してから各アンテナ素子110−1〜110−Nから放射する。【選択図】図1

Description

本発明は、アレイアンテナを用いた無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法に関する。
無線通信システムにおいて、周波数の利用効率を向上するため、空間的通信処理を可能にするアレイアンテナを用いた無線通信が行われている。アレイアンテナは、各アンテナ素子の励振位相を移相器で制御することにより、ビームを予め定めた方向に指向させることができる。これにより無線通信システムのネットワーク構成を空間的に指定している(例えば特許文献1)。
特許文献1に記載のネットワーク構成推定装置は、観測された通信トラヒックを発信元ノード毎に分離し、発信元ノード毎の信号から制御情報を抽出する。抽出した制御情報の自己相関をとって制御情報の信号周期などを示す制御特性を抽出し、得られた制御特性を参照してネットワークモデルの構成を推定している。これにより、ネットワークの通信に影響を与えることなく、ネットワーク構成を指定することができると説明している。
特開2014−60706号公報
特許文献1に記載のネットワーク構成推定装置は、同一ネットワークに属するノードの方向を推定し、推定した情報に基づいてネットワーク構成を指定する。しかし、ネットワークに加入していないノードの方向は探知していなかった。このため、受信する希望波の周波数と同じ周波数の他のネットワークの通信波が存在する場合に干渉波が発生する。これより、受信局において、本来受信を希望する通信信号の品質劣化が発生するという問題があった。例えば、受信信号のビット誤り率特性が悪化していた。
また、同一エリア内で通信妨害を意図して、妨害システムが妨害波を出力していることもある。妨害システムも高性能化しており、本来の通信が機能しなくなりネットワークが切断されるという問題も生じていた。
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、不要波の影響を抑制し、希望波を低雑音で受信することのできる無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の無線通信装置は、複数のアンテナ素子を含むアレイアンテナを備えた無線通信装置であって、複数のアンテナ素子それぞれで受信された複数の受信信号から希望波及び不要波の方向を特定し、アレイアンテナが形成する主ビームの指向方向を希望波の方向に決定し、ヌルビームの指向方向を不要波の方向に決定する受信系演算部と、受信系演算部が決定した指向方向に、主ビームとヌルビームがそれぞれ指向するための、複数のアンテナ素子それぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算して決定する送信系演算部と、送信系演算部が決定した振幅及び位相の補正量により、複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する送信系振幅位相補正部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、干渉波又は妨害波を含む不要波の方向を検出し、検出した不要波の到来方向に対して、アンテナパターンにおけるヌルビームを形成することにより、不要波の影響を抑制し、希望波を低雑音で受信することが可能となる。
本発明の実施の形態1に係る無線通信装置の構成例を示すブロック図 実施の形態1に係る無線通信処理のフローチャート 不要波が存在するネットワークにおける無線通信を示すイメージ図 アンテナパターンを示す図 本発明の実施の形態2に係る無線通信装置の構成例を示すブロック図 実施の形態2に係る無線通信処理のフローチャート 不要波が存在するネットワークにおける無線通信を示すイメージ図 不要波が存在するネットワークにおける無線通信を示すイメージ図 本発明の実施の形態3に係るTDMAフレームの構成例を示す図
実施の形態1.
以下に、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一又は相当する部分には同じ符号を付す。
図1は、この発明の実施の形態1に係る無線通信装置1の構成例を示すブロック図である。無線通信装置1は、無線通信を行う通信局に備えられている。無線通信装置1は、図1に示すように、N個(Nは2以上の任意の自然数)のアンテナ素子を配列したアレイアンテナ110と、各アンテナ素子と接続されたN個の送受信回路120−1〜120−Nと、送信信号の演算を行う送信系演算部200と、受信信号の演算を行う受信系演算部300と、を備える。さらに、無線通信装置1は、変調信号を生成する変調器(Modulator:MOD)400と、復調信号を生成する復調器(Demodulator:DEM)500と、時分割多重接続の通信制御を行うTDMA(Time Division Multiple Access:時分割多重接続)制御部600と、を備える。
アレイアンテナ110はN個のアンテナ素子110−1〜110−Nを一方向に配列し、アンテナ素子110−1〜110−Nから放射する送信波の位相を制御することにより定めた指向方向θで送信ビームを放射し、また、受信ビームを受信する。
N個の送受信回路120−1〜120−Nは、各アンテナ素子110−1〜110−Nにそれぞれ接続している。送受信回路120−1〜120−Nは、互いに同じ構成を有している。ここでは送受信回路120−1について説明する。
送受信回路120−1は、送受信を切り替えるスイッチ121と、受信信号を増幅する低雑音アンプ(Low Noise Amplifier:LNA)122と、受信信号を中間周波数信号に周波数変換するダウンコンバータ(Down Converter:D/C)123と、中間周波数信号を複素デジタル信号に変換するADコンバータ(Analog / Digital Converter:A/D)124と、複素デジタル信号の振幅及び位相を補正する受信系振幅位相補正部125と、を備える。
また、送受信回路120−1は、送信系演算部200から入力される送信用変調信号の振幅及び位相を補正する送信系振幅位相補正部126と、振幅及び位相を補正した補正変調信号をアナログの中間周波数信号に変換するDAコンバータ(Digital / Analog Converter:D/A)127と、中間周波数信号を無線周波数信号に周波数変換するアップコンバータ(Up Converter:U/C)128と、無線周波数信号を高電力で増幅する高電力アンプ(High Power Amplifier:HPA)129と、を備える。
また、送受信回路120−1は、図示していないが、基準信号発振器130と、基準信号発振器が出力する基準発振信号を用いて、ダウンコンバータ123及びアップコンバータ128で用いる局部発振信号を生成するPLL(Phase Locked Loop)回路131、132と、ADコンバータ124及びDAコンバータ127のサンプルクロックを生成するPLL回路133、134と、をさらに備える。
スイッチ121は、時分割多重接続の切り替えのタイミングで送受信の切り替えを行うスイッチである。スイッチ121は、受信時にはアンテナ素子110−1で受信した受信信号を低雑音アンプ122に出力し、送信時には、高電力アンプ129からの送信信号をアンテナ素子110−1に出力する。スイッチ121は後述するTDMA制御部600のタイミング制御部601が示すタイミングで送受信の切り替えを行う。
低雑音アンプ122は、受信時にスイッチ121を介して入力された微弱な受信信号を低雑音で増幅する。ダウンコンバータ123は、低雑音アンプ122で増幅された受信信号を、PLL回路131が生成した基準発振信号に同期した局部発振信号とミキシングすることにより、予め定めた中間周波数へ周波数変換を行い、中間周波数信号を出力する。
ADコンバータ124は、ダウンコンバータ123が出力する中間周波数信号をPLL回路133から入力されるサンプルクロックで複素デジタル信号に変換する。
受信系振幅位相補正部125は、ADコンバータ124が出力する複素デジタル信号を受信系演算部300から指示される振幅及び位相の補正量で補正した補正デジタル信号を出力する。
送信系振幅位相補正部126は、送信系演算部200から入力される送信用変調信号を、送信系演算部200から指示される振幅及び位相の補正量で補正した補正変調信号を出力する。
DAコンバータ127は、送信系振幅位相補正部126が出力する補正変調信号を、PLL回路134から入力されるサンプルクロックで、アナログの中間周波数信号に変換する。
アップコンバータ128は、DAコンバータ127が出力する中間周波数信号を、PLL回路132が生成した基準発振信号に同期した局部発振信号とミキシングすることにより、無線周波数へ周波数変換を行い、送信信号を出力する。
高電力アンプ129は、アップコンバータ128から出力される送信信号を無線伝送での減衰を考慮して大電力増幅して、スイッチ121に入力する。
受信系演算部300は、アンテナ素子110−1〜110−Nそれぞれで受信した複数の受信信号から希望波と不要波の方向を特定する。具体的には、各送受信回路120−1〜120−Nの受信系振幅位相補正部125が出力する信号を用いて、希望波と不要波の方向探知(Directional Finder:DF)処理を実行し、希望波と不要波の方向を特定する。ここで、希望波とは、通信相手である通信局から送信される送信波である。不要波とは、通信の妨げとなる電波であり、他のネットワークの通信波との干渉波、又は、通信妨害を意図した妨害システムが出力する妨害波を含む。
受信系演算部300は、方向探知の結果、特定した希望波と不要波の方向に基づいて、アレイアンテナ110が形成する主ビームの指向方向を希望波の方向に決定し、ヌルビームの指向方向を不要波の方向に決定する。そして、決定したそれぞれの指向方向に主ビーム及びヌルビームが指向したビームを形成させる、デジタルビームフォーミング処理(Digital Beam Forming Processing:DBFP)を行い、各送受信回路120−1〜120−Nの振幅と位相の重み付けを行う。つまり、受信系演算部300は、受信信号それぞれに対して各送受信回路120−1〜120−Nの振幅と位相の重み付けの演算を行い、決定した希望波及び不要波の方向に基づいて、各アンテナ素子110−1〜110−Nが受信した複数の受信信号を合成した信号の、希望波の方向の電力が最大となり不要波の方向の電力が最小となる振幅及び位相の補正量を決定する。重み付けの方式は従来の任意の方式を用いる。例えば、方向拘束付電力最小化法(Directionally Constrained Minimization of Power:DCMP)アルゴリズムを用いる。
受信系演算部300は、導出した各送受信回路120−1〜120−Nに対応する振幅及び位相の補正量をそれぞれの受信系振幅位相補正部125へ出力した後、各受信系振幅位相補正部125から出力される複素デジタル信号の和を計算する。これにより、受信系演算部300は、希望信号対妨害雑音比(Signal to Jamming and Noise Ratio:SJNR)が最大化された合成受信信号を演算する。
復調器500は、受信系演算部300から出力される合成受信信号を復調処理して情報系列を出力する。復調処理は、変調方式に対応した任意の方式を用いて復調を行う。例えば、BPSK,QPSKを含む位相変調方式に対しては、同期検波方式を用いる。
TDMA制御部600は、受信した情報系列が入力され、送信する情報系列を出力する。そして、受信した情報系列を通信局の内部処理装置に出力し、内部処理装置から送信指示された情報系列を出力する。
また、TDMA制御部600は、図1に示すように、タイミング制御部601を含む。タイミング制御部601は、時分割多重接続における送信信号及び受信信号に対するタイミング制御を行う。具体的には、各通信局が通信を行うためにそれぞれが割当てられたタイムスロットそれぞれのタイミングを送信系演算部200及び受信系演算部300に出力する。
また、TDMA制御部600は、図1に示すように、未使用スロット抽出部602と、通信ルール記憶部603とを更に含む。通信ルール記憶部603には、TDMA通信ルール604が記憶されている。TDMA通信ルール604は複数のタイムスロットそれぞれについて割当てられた通信局があるか否かを示すルールである。未使用スロット抽出部602は、TDMA通信ルール604に基づいて、割当てられた通信局が無い未使用スロットを抽出して受信系演算部300に出力する。受信系演算部300は、未使用スロット抽出部602が抽出した未使用スロットのタイミング制御部が示すタイミングで各アンテナ素子110−1〜110−Nが受信した複数の受信信号をもとに、不要波の方向を特定する。これにより、不要波の方向を正確に特定できる。
変調器400は、送信する情報系列を変調処理して送信用変調信号を出力する。変調処理は、任意の変調方式に対応した方式を用いて変調を行う。
送信系演算部200は、変調器400から入力される送信用変調信号を各送受信回路120−1〜120−Nの送信系振幅位相補正部126に出力する。また、送信系演算部200は、受信系演算部300が実行した方向探知処理及びデジタルビームフォーミング処理の結果に基づいて、希望波の方向に主ビームが指向し、不要波の方向にヌルビームが指向するための、アンテナ素子110−1〜110−Nそれぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算して決定する。そして決定した振幅及び位相の補正量を送信系振幅位相補正部126に出力する。
以上のように構成された無線通信装置1の動作について図2のフローチャートに沿って説明する。図2は送信系演算部200、受信系演算部300及びTDMA制御部600が実行する無線通信処理を示すフローチャートである。
図3は、不要波が存在するネットワークにおける無線通信を示すイメージ図である。図3は、本実施の形態に係る無線通信装置1を備えた通信局であるノードA、ノードB、ノードC、ノードDを含む無線通信システムを示している。ノードAとノードBとが、また、ノードCとノードDとが通信する場合について説明する。
ノードA、Cは通信開始前に、受信信号を元に方向探知処理を実行する(ステップS101)。具体的には、TDMA制御部600のタイミング制御部601の制御により、スイッチ121が受信側に切り替えられ、アレイアンテナ110に備えられた各アンテナ素子110−1〜110−Nが受信した受信信号が、低雑音アンプ122に出力される。このとき受信信号は、不要波の信号を含む。
低雑音アンプ122が微弱な受信信号を低雑音で増幅し、ダウンコンバータ123が、低雑音アンプ122で増幅された受信信号を中間周波数へ周波数変換して、中間周波数信号を出力する。
ADコンバータ124は、ダウンコンバータ123が出力する中間周波数信号を複素デジタル信号に変換する。受信系振幅位相補正部125は、ADコンバータ124から入力される複素デジタル信号を受信系演算部300から指示される振幅及び位相の補正量で補正した信号を出力する。
受信系演算部300は、各送受信回路120−1〜120−Nの受信系振幅位相補正部125が出力する信号から各アンテナ素子110−1〜110−Nの受信信号ベクトルを演算し、到来波の方向探知処理を実行し、到来波の方向を特定する。到来波は希望波と不要波を含む。図3に示すネットワークにおいて、ノードA、Cの受信系演算部300は不要波の方向を特定する。
ステップS101で到来波の方向探知処理を実行した結果、到来波の方向が判明しなかったときは(ステップS102;No)、ステップS101、S102の処理を繰り返す。到来波の方向が判明したときは(ステップS102;Yes)、TDMA通信ルール604と照合することで、到来波が希望波か不要波の識別を行う(ステップS103)。このとき、受信系演算部300は、未使用スロット抽出部602が抽出した未使用スロットで受信した到来波を不要波と識別する。
次に、受信系演算部300が、識別した希望波と不要波の方向を用いて、デジタルビームフォーミング処理を行い、その結果に基づいて、送信系演算部200が希望波方向に主ビームを指向し、不要波方向にヌルビームを指向させる(ステップS104)。
具体的には、送信系演算部200は、受信系演算部300が実行した方向探知処理及びデジタルビームフォーミング処理の結果に基づいて、希望波の方向に主ビームが指向し、不要波の方向にヌルビームが指向するための、各アンテナ素子110−1〜110−Nそれぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算して決定する。そして決定した振幅及び位相の補正量を送信系振幅位相補正部126に出力する。送信系振幅位相補正部126は、送信系演算部200から入力される送信用変調信号を、送信系演算部200から指示される振幅及び位相の補正量で補正した補正変調信号を出力する。
そして、DAコンバータ127が、送信系振幅位相補正部126から出力される補正変調信号を、アナログの中間周波数信号に変換し、アップコンバータ128が、その中間周波数信号を無線周波数へ周波数変換し、送信信号を出力する。
高電力アンプ129は、アップコンバータ128から出力される送信信号を大電力増幅して、スイッチ121に入力する。このとき、スイッチ121はTDMA制御部600のタイミング制御部601の制御により、送信側に切り替わり、アップコンバータ128から出力される送信信号が各アンテナ素子110−1〜110−Nから放射される。放射される送信信号は希望波方向に主ビームが指向され、不要波方向にヌルビームが指向されている。
ノードB、Dの受信系演算部300においても、希望波及び不要波の方向を特定し、希望波方向に主ビームを指向し、不要波方向にヌルビームを指向させている。これにより、ノードAとノードB、及び、ノードCとノードDそれぞれの通信が確立する。
図4は、主ビーム及びヌルビームを含む受信側のアンテナパターンを示す図である。図4に示すように、通信相手先を向く角度0°の相対的増幅率が最大となっており、不要波の発生源を向く角度約−100°の相対的増幅率が極小値となっている。
その後、定常追尾動作に遷移し(ステップS105)、希望波及び不要波の方向の微調制御を実施する。微調制御は任意の制御方法を用いて実施するが、例えば、コニカルスキャンを用いて実施する。
そして、ビット対誤り率が閾値未満である場合は(ステップS106;No)、定常追尾動作を継続する(ステップS105)。ビット対誤り率が閾値以上であった場合には(ステップS106;Yes)、ステップS101に戻り、希望波及び不要波の方向探知から処理を繰り返す。
これにより、到来波の方向探知により、不要波方向を特定し、その方向へヌルビームを形成するため、不要波の影響を受けることなく、ノード間の安定した通信を実施することができる。また、未使用スロット抽出部602が抽出した未使用スロットで不要波のみを受信した受信信号から不要波の方向を特定するため、不要波の方向を正確に特定できる。
以上説明したように実施の形態に係る無線通信装置1は、アレイアンテナ110に配列された各アンテナ素子110−1〜110−Nが受信した受信信号に基づいて、受信系演算部300が希望波及び不要波の方向探知処理及びデジタルビームフォーミング処理を実行し、主ビームとヌルビームの指向方向を決定する。その結果に基づいて、送信系演算部200が、各アンテナ素子110−1〜110−Nに対応する振幅及び位相の補正量を演算して送信系振幅位相補正部126に出力する。送信系振幅位相補正部126は送信用変調信号を送信系演算部200から入力された振幅及び位相の補正量で補正した信号を出力する。そして、振幅及び位相を補正した補正変調信号をデジタル信号に変換し、無線周波数にアップコンバートして増幅してから各アンテナ素子110−1〜110−Nから放射することとした。これにより、希望波方向への主ビームと不要波方向へのヌルビームを正確に形成することができ、不要波の影響を受けることなく、ノード間の安定した通信ネットワークを構築することができる。
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係る無線通信装置2について、図5〜8を用いて説明する。図中、同一若しくは同等の構成には同一符号を付している。
図5は、本実施の形態に係る無線通信装置2の構成例を示すブロック図である。無線通信装置2は、図5に示すように、実施の形態1と同様のN個のアンテナ素子110−1〜110−Nを配列したアレイアンテナ110と、N個の送受信回路120−1〜120−Nと、送信系演算部200と、受信系演算部300と、変調器400と、復調器500と、TDMA制御部600と、を備える。無線通信装置2は、これに加えて、受信信号を迂回中継するか否かを判定する迂回中継判定部700を備える。
迂回中継判定部700は、受信系演算部300から出力される方向探知結果から迂回中継の要否の判定を行い、中継が必要と判定した場合は、中継指示をTDMA制御部600の中継制御部605に出力する。
TDMA制御部600は、実施の形態1と同様にタイミング制御部601、未使用スロット抽出部602、通信ルール記憶部603を含む。図5において、未使用スロット抽出部602、通信ルール記憶部603は省略している。タイミング制御部601は、時分割多重接続における送信信号及び受信信号に対するタイミング制御を行う。
具体的には、各通信局が通信を行うためにそれぞれが割当てられたタイムスロットそれぞれのタイミングを送信系演算部200及び受信系演算部300に出力する。ここで、各通信局が割り当てられたタイムスロットは、1つの通信局に割当てが可能な通常伝送スロットと複数の通信局に割当てが可能な多重伝送スロットとを含む。受信系演算部300は、タイミング制御部601が示す多重伝送スロットのタイミングで受信された複数の受信信号をもとに、不要波の方向を特定する。
また、TDMA制御部600は中継制御部605を更に備える。中継制御部605は、他の無線通信装置2に対して中継指示を送信する制御を行う。その他の構成は、構成内容及び機能は実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
以上のように構成された無線通信装置2の動作について図6のフローチャートに沿って説明する。図6は無線通信装置2の送信系演算部200、受信系演算部300、迂回中継判定部700及びTDMA制御部600が実行する無線通信処理を示すフローチャートである。
図6のフローチャートのステップS101、S102の処理は、実施の形態1と同じである。
ステップS102において、到来波の方向が判明したときは(ステップS102;Yes)、受信系演算部300はTDMA通信ルール604と照合することで、到来波が希望波か不要波の識別を行う(ステップS103A)。このとき、受信系演算部300は、未使用スロット抽出部602が抽出した未使用スロット又は多重伝送スロットで受信した到来波を不要波と識別する。
次に、受信系演算部300が、識別した希望波と不要波の方向を用いて、デジタルビームフォーミング処理を行い、その結果に基づいて、送信系演算部200が希望波方向に主ビームを指向し、不要波方向にヌルビームを指向させる(ステップS104)。
具体的には、送信系演算部200は、受信系演算部300が実行した方向探知処理及びデジタルビームフォーミング処理の結果に基づいて、希望波の方向に主ビームが指向し、不要波の方向にヌルビームが指向するための、各アンテナ素子110−1〜110−Nそれぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算して決定する。そして決定した振幅及び位相の補正量を送信系振幅位相補正部126に出力する。送信系振幅位相補正部126は、送信系演算部200から入力される送信用変調信号を、送信系演算部200から指示される振幅及び位相の補正量で補正した補正変調信号を出力する。
ステップS104で希望波方向に主ビームを指向させ、不要波方向にヌルビームを指向させた後、各ノードは、同一のネットワーク内の他のノードに不要波の到来方向を送信し、また他のノードから不要波の到来方向を受信することにより、不要波の到来方向の情報を共有する(ステップS201)。ネットワーク内で各ノードが検出した不要波の到来方向の情報を共有することにより、不要波の発生源の位置を特定することが可能になる。
迂回中継判定部700は、不要波の発生源の位置に基づいて特定した自ノードへの不要波の到来方向と、希望波の到来方向と、がなす角度が閾値θ 以上であるか否かを判定する(ステップS202)。閾値θ は、アレイアンテナ110における主ビーム幅を基準にして予め決定した閾値である。
不要波の到来方向と希望波の到来方向とがなす角度が閾値θ 未満の場合には(ステップS202;No)、主ビーム内にヌルビームを形成することになり、主ビームの利得が低下する。よって、この場合には、迂回中継判定部700は、迂回中継をして不要波による妨害回避を要すると判定する。迂回中継判定部700の判定結果に基づいて、中継制御部605がマスターノードに対して中継を要求し、マスターノードが、各ノードの位置関係に基づいて中継局を選択し、中継局に対して中継を指示することにより、迂回中継を実行する(ステップS203)。
図7及び図8は、不要波が存在するネットワークにおける無線通信を示すイメージ図である。図7,8は、本実施の形態に係る無線通信装置2を備えるノードA、ノードB、ノードC、ノードD、中継A、中継Bを含む無線通信システムを示している。図7、8に示すように、ノードAが、不要波とノードAの延長線上に位置するノードBと通信する場合、不要波の到来方向と、希望波の到来方向と、がなす角度が閾値θ 未満であると言える。この場合、ノードBは、不要波及びノードAの方向にヌルビームを形成するため、ノードAから直接送信信号を受信することができない。
この場合、マスターノードが、中継Aを中継局に指定する。図7に示すようにノードAからの送信信号を中継Aが受信したのちに、図8に示すように、中継Aからの送信信号をノードBが受信する。このようにして、ノードAとノードBとの通信は、中継Aを介して実現することができる。同様に、ノードCとノードDとの通信は、中継Bを介して実現することができる。
ここで、中継局を介した通信を実行する場合、システムの周波数帯やアンテナ素子数の制約により、アレイアンテナ110の主ビーム角が広くなる場合がある。このような場合には、中継局を指定するケースが増加することが想定される。
中継局を介した通信時には、1ホップ分の冗長伝送が生じる。中継局が増加するたびにTDMAの通信スロットを消費することとなり、スループットが低下するという課題がある。これに対しては、他の中継局の送信波を不要波と見なしてヌルビームを形成する。つまり、中継制御部605の制御により迂回中継を実行する場合に、送信系演算部200は、主ビームが中継局へ指向し、ヌルビームが不要波の方向及び他の中継局の方向に指向するための、複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相の補正量を演算して決定し、各送信系振幅位相補正部126に出力する。このようにして、中継制御部605は中継伝送における中継用スロットの空間多重を実行する。すなわち、多重伝送スロットを中継用スロットとして使用して空間多重を用いることにより、中継用スロットの消費が1スロットのみとなる。
例えば、図7、8に示すような中継A、中継Bを用いた通信を行う場合、伝送する情報量が1スロット分とすると、中継用スロットを計2スロット分確保する必要がある。このとき、図8に示すように、ノードBのビーム制御において、中継局である中継Aに主ビーム指向の制御を行うと共に、不要波と中継Bの方向にヌルビームを形成する。同様に、ノードDのビーム制御において、中継局である中継Bに主ビーム指向の制御を行うと共に、不要波と中継Aの方向にヌルビームを形成する。
このように、ノードB及びノードDが多重伝送スロットにおける他の中継局の送信波を不要波と見なしてヌルビームを形成することで、図7、8の下方に示したTDMAフレームに示すように、中継用スロットの消費が多重伝送スロットの1スロットのみとなる。
さらに、通常伝送スロット伝送時には、ポイント・トゥー・マルチポイント(PtoMP)通信の場合、最遠ノードに合わせてBPSKを含む比較的ロバストな変調方式を選択する場合が多いが、中継伝送時には特定のノードに向けて伝送するポイント・トゥー・ポイント(PtoP)通信であるため、大容量の変調方式を適用しやすい。よって、複数の通常伝送時の複数スロットを1スロットに多重して大容量伝送することが可能となり、中継伝送時における消費スロットのオーバーヘッドを最小化することができる。
以上のように、ステップS202で、不要波の到来方向と希望波の到来方向がなす角度が閾値θ 未満の場合には(ステップS202;No)、迂回中継を実行して(ステップS203)、その後は定常追尾動作に遷移する(ステップS204)。一方、ステップS202で、不要波の到来方向と希望波の到来方向がなす角度が閾値θ 以上の場合には(ステップS202;Yes)、迂回中継を実行せず、ノード間の直接通信を開始し定常追尾動作に遷移する(ステップS204)。定常追尾動作において、不要波及び希望波の方向の微調制御を実施する。微調制御は任意の制御方法を用いて実施するが、例えば、コニカルスキャンを用いる。
そして、ビット対誤り率が閾値未満である場合は(ステップS205;No)、定常追尾動作を継続する(ステップS204)。ビット対誤り率が閾値以上であった場合には(ステップS205;Yes)、ステップS101に戻り、希望波及び不要波の方向探知から処理を繰り返す。
以上説明したように、本実施の形態にかかる無線通信装置2は、希望波方向に主ビームを指向させ、不要波方向にヌルビームを指向させた後、各ノードが不要波の到来方向の情報を共有し、不要波の発生源の位置を特定する。そして、迂回中継判定部700が、不要波の発生源の位置に基づいて特定した自ノードへの不要波の到来方向と、希望波の到来方向と、がなす角度が閾値θ 未満である場合に、中継局を介した通信を実施することとした。これにより、希望波方向と不要波方向が重複した場合に、中継局を介した安定した通信が可能となり、ネットワークの柔軟性を高めることができる。
実施の形態3.
この発明の実施の形態3に係る無線通信装置2について、図9を用いて説明する。本実施の形態に係る無線通信装置2の構成は、実施の形態2と同様であり、迂回中継が可能な構成である。本実施の形態に係る無線通信装置2のTDMA制御部600が生成するTDMAフレームの構成が実施の形態2と異なる。図9は、TDMAフレームの構成例を示す図である。
本実施の形態に係るTDMAフレームは、図9に示すように、全参加ノードが送信停止し、受信のみを行うリスニングスロットを配置する。すなわち、各通信局が通信を行うためにそれぞれが割当てられたタイムスロットは、当該通信局に割当てられる伝送スロットと通信局に割当てられないリスニングスロットとを含む。そしてタイミング制御部601が示すリスニングスロットで不要波のみの各アンテナ素子110−1〜110−Nの受信信号を参照信号として、受信系演算部300が方向探知処理を行い、送信系演算部200が、不要波方向にヌルビームを形成するために送信系振幅位相補正部126で補正する振幅及び位相の補正量を決定する。
これにより、通常の伝送スロットでの希望波及び不要波を受信する時の振幅位相補正量の重み付けの精度を向上することができる。また、ビーム形成にかかる重み付けの演算の収束時間も短縮できることから、妨害抑圧までのビーム形成時間も短縮化することができる。
本実施の形態のようにリスニングスロットを配置しない構成においては、希望波と不要波の2波以上の入力に対して、方向探知処理およびデジタルビームフォーミング処理を実行するため、希望波の電力が小さい場合、精度良い重み付け計算ができずSJNRが劣化する課題があった。また、アレイアンテナ110における素子間結合の影響が無視できない場合も、SJNRの劣化が発生する。本実施の形態のリスニングスロットを配置したTDMAフレームは良好なSJNRを確保することができる。
以上説明したように、本実施の形態にかかる無線通信装置2は、TDMA制御部600が生成するTDMAフレームに、全参加ノードが送信停止し、受信のみを行うリスニングスロットを配置する。そして、リスニングスロットで不要波のみの各アンテナ素子110−1〜110−Nの受信信号を参照信号として、方向探知処理を行い、ヌルビームを形成するために送信系振幅位相補正部126で補正する振幅及び位相の補正量を決定することとした。これにより、希望波の電力が小さい場合やアレイアンテナ110における素子間結合の影響が無視できない場合であっても、SJNRを向上させることが可能となる。
このように本発明は、複数のアンテナ素子を含むアレイアンテナを備えた無線通信において、複数のアンテナ素子それぞれで受信された複数の受信信号から希望波及び不要波の方向を特定し、アレイアンテナが形成する主ビームの指向方向を希望波の方向に決定し、ヌルビームの指向方向を不要波の方向に決定する。そして決定した指向方向に主ビームとヌルビームがそれぞれ指向するための複数のアンテナ素子それぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算して決定する。その振幅及び位相の補正量により、複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正することとした。これにより、不要波の影響を抑制し、希望波を低雑音で受信することが可能となる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。
例えば、上記実施の形態において、希望波及び不要波の方向に基づいて、2つのノード間の直接通信、又は、1つの中継局を迂回中継する通信を実施するとしたが、2以上の中継局を迂回中継するようにしてもよい。
1,2 無線通信装置、110 アレイアンテナ、110−1〜110−N アンテナ素子、120−1〜120−N 送受信回路、121 スイッチ、122 低雑音アンプ、123 ダウンコンバータ、124 ADコンバータ、125 受信系振幅位相補正部、126 送信系振幅位相補正部、127 DAコンバータ、128 アップコンバータ、129 高電力アンプ、130 基準信号発振器、131〜134 PLL回路、200 送信系演算部、300 受信系演算部、400 変調器、500 復調器、600 TDMA制御部、601 タイミング制御部、602 未使用スロット抽出部、603 通信ルール記憶部、604 TDMA通信ルール、605 中継制御部、700 迂回中継判定部

Claims (11)

  1. 複数のアンテナ素子を含むアレイアンテナを備えた無線通信装置であって、
    前記複数のアンテナ素子それぞれで受信された複数の受信信号から希望波及び不要波の方向を特定し、前記アレイアンテナが形成する主ビームの指向方向を前記希望波の方向に決定し、ヌルビームの指向方向を前記不要波の方向に決定する受信系演算部と、
    前記受信系演算部が決定した前記指向方向に、前記主ビームと前記ヌルビームがそれぞれ指向するための、前記複数のアンテナ素子それぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算して決定する送信系演算部と、
    前記送信系演算部が決定した振幅及び位相の補正量により、前記複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する送信系振幅位相補正部と、
    を備える無線通信装置。
  2. 前記受信系演算部は、前記複数の受信信号それぞれに対して、決定した前記希望波及び前記不要波の方向に基づいて、前記複数の受信信号を合成した信号の、前記希望波の方向の電力が最大となり前記不要波の方向の電力が最小となる振幅及び位相の補正量を決定し、
    前記複数の受信信号それぞれを前記受信系演算部が決定した前記振幅及び前記位相の補正量により補正する受信系振幅位相補正部を、さらに備える、
    請求項1に記載の無線通信装置。
  3. 前記受信系演算部が特定した希望波及び不要波の方向に基づいて、迂回中継の要否の判定を行う迂回中継判定部と、
    他の無線通信装置に対して中継指示を送信する制御を行う中継制御部と、をさらに備える、
    請求項1又は2に記載の無線通信装置。
  4. 前記中継制御部の制御により迂回中継を実行する場合に、前記送信系演算部は、前記主ビームが中継局へ指向し、前記ヌルビームが前記不要波の方向及び他の中継局の方向に指向するための、前記複数の送信用変調信号それぞれの前記振幅及び前記位相の補正量を演算して決定する、
    請求項3に記載の無線通信装置。
  5. 前記中継制御部は、中継局との通信で用いる中継用スロットを空間多重する制御を行う、
    請求項3又は4に記載の無線通信装置。
  6. 無線通信を行う通信局が備える無線通信装置であって、前記通信局が通信を行うためにそれぞれが割当てられた複数のタイムスロットそれぞれのタイミングを示すタイミング制御部をさらに備え、前記受信系演算部は、前記タイミング制御部が示す前記タイムスロットの決められたタイミングで受信された前記複数の受信信号をもとに、前記不要波の方向を特定する、請求項1から5のいずれか1項に記載の無線通信装置。
  7. 前記複数のタイムスロットそれぞれについて割当てられた前記通信局があるか否かを示す通信ルールに基づいて、割当てられた前記通信局が無い未使用スロットを抽出する未使用スロット抽出部をさらに備え、前記受信系演算部は、前記未使用スロット抽出部が抽出した前記未使用スロットの前記タイミング制御部が示すタイミングで受信された前記複数の受信信号をもとに、前記不要波の方向を特定する、請求項6に記載の無線通信装置。
  8. 前記複数のタイムスロットは、1つの前記通信局に割当てが可能な通常伝送スロットと複数の前記通信局に割当てが可能な多重伝送スロットとを含み、前記受信系演算部は、前記タイミング制御部が示す前記多重伝送スロットのタイミングで受信された前記複数の受信信号をもとに、前記不要波の方向を特定する、請求項6又は7に記載の無線通信装置。
  9. 前記複数のタイムスロットは、前記通信局に割当てられる伝送スロットと前記通信局に割当てられないリスニングスロットとを含み、前記受信系演算部は、前記タイミング制御部が示す前記リスニングスロットのタイミングで受信された前記複数の受信信号をもとに、前記不要波の方向を特定する、請求項6から8のいずれか1項に記載の無線通信装置。
  10. 請求項1から9のいずれか1項に記載の無線通信装置を複数含み、複数の前記無線通信装置が、前記不要波の方向を共有する、
    無線通信システム。
  11. 複数のアンテナ素子を含むアレイアンテナを用いた無線通信方法であって、
    前記複数のアンテナ素子それぞれで受信された複数の受信信号から特定した希望波及び不要波の方向に基づいて前記アレイアンテナが形成する主ビーム及びヌルビームの指向方向を決定するビーム指向方向決定ステップと、
    前記ビーム指向方向決定ステップで決定した前記指向方向に前記主ビームと前記ヌルビームがそれぞれ指向するための、前記複数のアンテナ素子それぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算する演算ステップと、
    前記演算ステップで演算した振幅及び位相の補正量により、前記複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する振幅位相補正ステップと、
    を有する無線通信方法。
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