JP2022130910A - 無線通信装置、及び、ビーム制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】特定の方向のサイドローブの出力を低下させるための重みの最適値を確実に求めることができる無線通信装置を提供する。【解決手段】無線通信装置は、ゲイン、位相に対する重み付けを表す重みベクトルに基づいて第1ビームと第2ビームを出力する複数のアンテナ素子と、第1ビームのメインローブの出力を表す第1行列から、第2ビームのメインローブと干渉する第1ビームのサイドローブの出力を低減する低減割合に第1ビームのサイドローブの出力を表す第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルを求め、第2行列に重みベクトルと複素共役転置とを乗じて得る第1ビームのサイドローブの出力に対する、第1行列に重みベクトルと複素共役転置とを乗じて得る第1ビームのメインローブの出力の比が、最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定し、比が最大SIRmaxよりも大きくないと判定されると重みベクトルを抽出する。【選択図】図8
Description
本発明は、無線通信装置、及び、ビーム制御方法に関する。
従来より、複数のアンテナがアレイ状に配置されたアレイアンテナからビームを出力する際に、特定の方向のサイドローブの出力を低下させるために、BATアルゴリズム(コウモリアルゴリズム)に基づいて前記複数のアンテナから出力される信号のゲイン及び/又は位相に対して付与する重みを求める方法がある(例えば、非特許文献1参照)。
Xiao XIAO, et. al. "Data Based Model for Wide Nulling Problem in Adaptive Digital Beamforming Antenna Array," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 18, No.11, 2019.
ところで、従来の方法におけるBATアルゴリズムのような繰り返し演算では、ローカルミニマムに落ち込むことを避けるのは難しく、特定の方向のサイドローブの出力を低下させるための重みの最適値が必ず求まるとは限らないという課題がある。
そこで、特定の方向のサイドローブの出力を低下させるための重みの最適値を確実に求めることができる無線通信装置、及び、ビーム制御方法を提供することを目的とする。
本発明の実施形態の無線通信装置は、ゲイン及び/又は位相に対する重み付けを表す重みベクトルに基づいて第1ビーム及び第2ビームを出力する複数のアンテナ素子と、前記第1ビームのメインローブの出力電力を表す第1行列から、前記第2ビームのメインローブと干渉する前記第1ビームのサイドローブの出力電力を低減する低減割合に前記第1ビームのサイドローブの出力電力を表す第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルを求める重みベクトル導出部と、前記第2行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力に対する、前記第1行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の電力比が、最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定する判定部と、前記判定部によって前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きくないと判定されると、前記重みベクトルを抽出する重み抽出部とを含む。
特定の方向のサイドローブの出力を低下させるための重みの最適値を確実に求めることができる無線通信装置、及び、ビーム制御方法を提供することができる。
以下、本発明の無線通信装置、及び、ビーム制御方法を適用した実施形態について説明する。
<実施形態>
図1は、2つのビーム50A、50Bを示す図である。ビーム50A、50Bは、複数のアンテナ素子がアレイ状に配置された1つのアレイアンテナから出力されていることとして説明する。ここではビーム50Aを実線で示し、ビーム50Bを破線で示す。また、図1では、分かり易くするためにSIR(Signal to Interference Ratio:信号電力対干渉電力比)の大きさを両矢印の長さで示す。また、端末30A、30Bは、スマートフォン等である。
図1は、2つのビーム50A、50Bを示す図である。ビーム50A、50Bは、複数のアンテナ素子がアレイ状に配置された1つのアレイアンテナから出力されていることとして説明する。ここではビーム50Aを実線で示し、ビーム50Bを破線で示す。また、図1では、分かり易くするためにSIR(Signal to Interference Ratio:信号電力対干渉電力比)の大きさを両矢印の長さで示す。また、端末30A、30Bは、スマートフォン等である。
ビーム50Aは、1本のメインローブ51Aと複数本のサイドローブ52Aとを有し、ビーム50Bは、1本のメインローブ51Bと複数本のサイドローブ52Bとを有する。メインローブ51Aはアレイアンテナから端末30Aに向けて出力されており、メインローブ51Bはアレイアンテナから端末30Bに向けて出力されている。
各アンテナ素子には、各アンテナ素子から出力される信号の位相及びゲインをそれぞれ調整するフェーズシフタ及びアンプが接続されており、位相及び/又はゲインに重み付けを行うことで、ビーム50A、50Bの出力と角度(放射方向)を制御することができる。また、重み付けを調整することにより、複数のサイドローブ52A、52Bのうちの特定の1又は複数のサイドローブの出力を抑制(低減)することができる。
図1(A)には、比較用に、サイドローブ52A、52Bの出力を抑制していない状態を示し、図1(B)には、サイドローブ52A、52Bのうちの特定の1つのサイドローブ52A、52Bの出力を抑制している状態を示す。
図1(A)では、ビーム50Aのメインローブ51Aとビーム50Bのサイドローブ52Bとが重なっており、かつ、サイドローブ52Bの出力はある程度大きい。同様に、ビーム50Bのメインローブ51Bとビーム50Aのサイドローブ52Aとが重なっており、かつ、サイドローブ52Aの出力はある程度大きい。この状態では、メインローブ51Aとサイドローブ52Bとの干渉が大きく、メインローブ51Aとサイドローブ52BとのSIRが小さい。同様に、メインローブ51Bとサイドローブ52Aとの干渉が大きく、ビーム50Bのメインローブ51Bとビーム50Aのサイドローブ52AとのSIRが小さい。SIRが小さいと、通信におけるスループットが低下するため、通信状態は良好ではない。
これに対して、図1(B)では、図1(A)に比べてメインローブ51A、51Bと重なる1つのサイドローブ52A、52Bの出力が一点鎖線の円で囲んで示すように低減されているので、メインローブ51Aとサイドローブ52Bとの干渉が小さく、メインローブ51Aとサイドローブ52BとのSIRが大きい。同様に、メインローブ51Bとサイドローブ52Aとの干渉が小さく、メインローブ51Bとサイドローブ52AとのSIRが大きい。SIRが大きいと、通信におけるスループットが改善されるため、通信状態は良好である。
図1(B)に示すように、メインローブ51A、51Bと重なるサイドローブ52A、52Bの出力を低減することは、アンプで信号を増幅する際のゲインに付与する重みを調整して、各アンテナ素子が出力する信号のゲインを個別的に調整することによって実現可能である。
図2は、基地局10と、実施形態の無線通信装置100とを示す図である。基地局10は、DU(Distributed Unit)及びCU(Central Unit)によって実現され、ID出力部11と信号出力部12、13とを有する。基地局10は、ID出力部11及び信号出力部12、13以外の構成要素も含むが、ここでは省略する。
ID出力部11は、ID(Identifier)番号をRU20のデコーダ100Aに出力する。ID出力部11が出力するID番号は複数種類あり、各ID番号は、無線通信装置100のビーム出力装置100Dのアレイアンテナから出力するビームの方向に関する情報に割り当てられている。信号出力部12は、送信信号を無線通信装置100のビーム出力装置100Dに出力する。信号出力部13は、ローカル信号を無線通信装置100のビーム出力装置100Dに出力する。
無線通信装置100は、RU(Radio Unit)である。無線通信装置100は、デコーダ100A、メモリ100B、制御装置100C、及びビーム出力装置100Dを有する。デコーダ100Aは、ID出力部11から入力されるID番号をデコードしてアドレスを取得し、メモリ100Bに受け渡す。メモリ100Bは、メモリコントローラを含んでおり、デコーダ100Aから入力されるアドレスに基づいて制御データを読み出し、制御装置100Cに受け渡す。制御データは、ビーム出力装置100Dで送信信号を増幅する際のゲインに重み付けする際の重みデータと、送信信号の位相をシフトさせる際の位相に重み付けする際の重みデータとを含む。
制御装置100Cは、メモリ100Bから入力されるゲイン用の重みデータと、位相用の重みデータとを用いて、ビーム出力装置100Dに入力される送信信号の増幅と位相のシフトとを制御する。制御装置100Cは、一例としてIC(Integrated Circuit:集積回路)によって実現される。
基地局10及びRU20は、一例として、5G(Fifth Generation)のデータ通信用の装置である。また、無線通信装置100のビーム出力装置100Dは、ビームフォーミングによって図1に示すビーム50A、50Bのような複数のビームを同時に出力することが可能である。ビームの数は3本以上であってもよい。3本以上のビームのうちのいずれか1本は第1ビームの一例であり、3本以上のビームのうち、第1ビームのサイドローブと干渉するメインローブを有する1本のビームは第2ビームの一例である。
図3は、ビーム出力装置100Dのアレイアンテナ110Dを示す図である。以下では、XYZ座標系を定義して説明する。また、以下では、平面視とはXY面視のことであり、説明の便宜上、-Z方向側を下側又は下、+Z方向側を上側又は上と称すが、普遍的な上下関係を表すものではない。
アレイアンテナ110Dは、基板111D、アンテナ素子112D、グランド層113Dを有する。アレイアンテナ110Dの通信周波数は、一例として、3.7GHz帯、4.5GHz帯、又は28GHz帯である。
基板111Dは、一例としてFR4(Flame Retardant type 4)規格の配線基板であり、上面にアンテナ素子112Dが設けられ、下面にグランド層113Dが設けられている。アンテナ素子112Dは、基板111Dの上面にアレイ状に配列されており、一例として8×8で配列される64個のアンテナ素子112DがX方向及びY方向に等ピッチで配列されている。アンテナ素子112Dの配列は、マトリクス状として捉えることもできる。アンテナ素子112Dは、平面視で正方形であり、1辺の長さは通信周波数における波長の電気長の約1/2に設定されている。アンテナ素子112Dが上面に配列される基板111Dの下面にはグランド層113Dがあり、平面視ですべてのアンテナ素子112Dとグランド層113Dは重なっているため、アンテナ素子112D及びグランド層113Dは、パッチアンテナを構築する。
各アンテナ素子112Dには、スルーホールと基板111Dの配線とを介して給電が行われる。複数のアンテナ素子112Dから放射される電波のゲインと位相が調整され、1つのビームを構築する。
なお、アレイアンテナ110Dは、図3に示す構成に限定されるものではなく、複数のアンテナ素子112Dが配列されていれば、図3に示す構成とは異なる構成であってもよい。複数のアンテナ素子112Dの配列は、アレイ状ではなく一直線状であってもよい。
次に、図4を用いてチェビシェフの重み付けによるサイドローブの低減について説明する。図4は、チェビシェフの重み付けを説明する図である。ここでは、説明を簡単にするために図4(A)に示すように、8個のアンテナ素子が一直線状に配列されていることとし、左側から右側にかけて1番から8番のアンテナ素子番号を割り振る。8個のアンテナ素子には、8個の可変増幅器がそれぞれ接続されており、8個のアンテナ素子から放射する電力を増幅する際のゲインに対して重み付けを行えるようになっていることとする。
図4(B)には、横軸にアンテナ素子番号を示し、縦軸に重み付けしたゲインを示す。8個のアンテナ素子から放射する電力に付与するゲインに対して、1番と8番のアンテナ素子から放射する電力に付与するゲインが最も小さくなり、中央に位置する4番と5番のアンテナ素子から放射する電力に付与するゲインが最も大きくなるように段階的に重み付けを行う。このような重み付けがチェビシェフの重み付けであり、隣接しているアンテナ素子間の重みの差は小さい。
図4(C)には、重み付けを行わずに図4(A)の8個のアンテナ素子から電力を放射した場合のメインローブ及びサイドローブの出力(放射電力)を破線で示し、上述のように重み付けを行って図4(A)の8個のアンテナ素子から電力を放射した場合のメインローブ及びサイドローブの出力(放射電力)を実線で示す。重み付けを行わない場合と、重み付けを行った場合とにおいて、中央に位置して最も出力が大きい1つの波形がメインローブの出力を表し、メインローブの両側に3つずつある波形がサイドローブの出力を表す。
中央から端に向かうほど重み付けを小さくすると、図4(C)に実線で示すように、中央のメインローブの出力は重み付けを行わない場合の破線のメインローブと殆ど変わらないが、サイドローブの出力は低減している。このように、チェビシェフの重み付けを行うと、メインローブの出力を維持しつつ、サイドローブの出力を選択的に低減させることができる。
図5は、ビーム出力装置100Dを示す図である。ビーム出力装置100Dは、信号端子101D、アレイアンテナ110D、フェーズシフタ120D、アンプ130D、ミキサ140D、PA(Power Amplifier)150Dを含む。信号端子101Dは、図2に示す信号出力部12に接続されており、送信信号が入力される入力端子である。
図5にはアレイアンテナ110Dのうちのアンテナ素子112Dを示す。アンテナ素子112Dは、図3に示すように64個あるが、図5にはそのうちの4個に関する構成を示す。
一例として、4個のアンテナ素子112Dには、4個のフェーズシフタ120D、4個のアンプ130D、4個のミキサ140D、4個のPA150Dが接続される。ビーム出力装置100Dは64個のアンテナ素子112Dを含むため、ビーム出力装置100Dは、64個のフェーズシフタ120D、64個のアンプ130D、64個のミキサ140D、64個のPA150Dを含む。
フェーズシフタ120Dは、入力端子121Dと、出力端子122Dと、制御端子123Dとを有する。出力端子122Dは、アンプ130Dの入力端子131Dに接続される。制御端子123Dは、制御装置100C(図2参照)に接続されており、位相用の重みデータが入力される。フェーズシフタ120Dは、入力端子121Dに入力される送信信号の位相を制御端子123Dに入力される位相用の重みデータに応じてシフトさせて出力端子122Dから出力する。
アンプ130Dは、出力端子122Dに接続される入力端子131Dと、出力端子132Dと、制御装置100C(図2参照)に接続される制御端子133Dとを有する。入力端子131Dには出力端子122Dから位相が調整された送信信号が入力され、出力端子132Dにはミキサ140Dの入力端子141Dが接続され、制御端子133Dには制御装置100Cからゲインに重み付けする重みが入力される。
アンプ130Dは、送信信号を増幅する際のゲインに重み付けする重みに応じてゲインが可変的に制御され、入力端子131Dに入力される送信信号を増幅して出力端子132Dから出力する。重みは制御装置100Cによって制御される。重みは、メモリ100Bから制御装置100Cに入力されるゲイン用の重みデータに含まれる。重みによって重み付けられるアンプ130Dのゲインは、一例として、-20dB~0dBの範囲で1dBのステップ(ゲインの変化幅)で制御可能である。
ミキサ140Dは、入力端子141D、142Dと出力端子143Dとを有する。入力端子141Dはアンプ130Dの出力端子132Dに接続され、アンプ130Dで増幅された送信信号が入力される。入力端子142Dは、基地局10の信号出力部13に接続されており、ローカル信号が入力される。出力端子143Dは、PA150Dの入力端子151Dに接続されている。ミキサ140Dは、入力端子141D入力される送信信号と、入力端子142Dに入力されるローカル信号とを乗算して出力端子143Dから出力する。
PA150Dは、入力端子151Dと出力端子152Dとを有するパワーアンプである。入力端子151Dはミキサ140Dの出力端子143Dに接続され、出力端子152Dはアンテナ素子112Dに接続される。PA150Dは、ミキサ140Dから入力される信号を増幅してアンテナ素子112Dに出力する。PA150Dの増幅率は一定値である。
以上のようなビーム出力装置100Dは、一例として、アレイアンテナ110Dから複数のビームを出力する。各ビームは、メインローブとサイドローブを有するとともに、固有のビームIDを有するため、メインローブと他のビームのサイドローブとの干渉を抑制することが求められる。このようにビーム同士の干渉を抑制するには、各アンテナ素子112Dから放射する信号のゲインを調整することが必要になる。各アンテナ素子112Dから放射する信号のゲインは、アンプ130Dによって調整される。
図6は、アレイアンテナ110Dから出力されるビームのメインローブが届く範囲を説明する図である。ビームのメインローブが届く範囲とは、図1に示す端末30A、30Bがデータ通信可能な所定電力以上の電力を受信可能な範囲である。
ここでは、一例としてアレイアンテナ110Dが4本のビームを出力することとする。4本のビームには、ビームID(Identifier)0~ビームI3が割り振られていることとする。一例として、アレイアンテナ110Dは地上から10mの高さの位置にある。
4本のビームのメインローブが届く範囲は互いに異なる。ビームID0のビームは、アレイアンテナ110Dから距離r0の範囲に届き、ビームID1のビームは、アレイアンテナ110Dから距離r0~r1の範囲に届き、ビームID2のビームは、アレイアンテナ110Dから距離r1~r2の範囲に届き、ビームID3のビームは、アレイアンテナ110Dから距離r2~r3の範囲に届くこととする。また、距離r3は、アレイアンテナ110Dがビームフォーミングによって出力するビームが出力し得る最大電力PAにおいてビームが届く最長距離であることとする。
図7は、ビームIDと、距離と、メインローブの電力の拘束条件とを関連付けたデータを示す図である。距離は、各ビームが届く最長距離である。メインローブの電力の拘束条件は、アレイアンテナ110Dがビームフォーミングによって出力するビームが出力し得る最大電力PAを用いて、各ビームIDのビームの出力を表したものである。
図7に示すように、ビームID0のビームについての距離はr0であり、拘束条件はr3の二乗に対するr0の二乗の比を最大電力PAに乗じた値である。ビームID1のビームについての距離はr1であり、拘束条件はr3の二乗に対するr1の二乗の比を最大電力PAに乗じた値である。ビームID2のビームについての距離はr2であり、拘束条件はr3の二乗に対するr2の二乗の比を最大電力PAに乗じた値である。ビームID3のビームについての距離はr3であり、拘束条件は最大電力PAである。なお、ここでは拘束条件を距離の二乗の比で表す形態について説明するが、拘束条件は距離の三乗の比で表されてもよい。
図8は、アレイアンテナ110Dにおける放射パターンと位相差を説明する図である。図8には、一例として図3に示す64個のアンテナ素子112のうちの8個を示す。図8に示す8個のアンテナ素子112は、Y方向に8行あるうちの1行に含まれ、X方向に配列される8個のアンテナ素子112である。また、図8では、フェーズシフタ120D及びアンプ130Dをまとめて示し、それぞれ、重みデータの重み係数w0~w7が入力されるものとして説明する。
-X方向側の端のアンテナ素子112に示すように、アンテナ素子112が出力(放射)する電力の放射パターンをg(θ)とする。角度θは、+X方向側の端から2番目のアンテナ素子112に示すように、アンテナ素子112の平面視における中央を通るZ軸に平行な直線(アンテナ素子112の中央を通る法線)に対する角度である。
また、X方向において隣り合うアンテナ素子112同士のX方向の間隔をd(mm)とすると、X方向において隣り合うアンテナ素子112が角度θの方向に放射する電波の位相差は、2π(d/λ)sinθである。λは、各アンテナ素子112が出力する電波の自由空間における波長である。
次に、アレイアンテナ110Dが出力するビームに制御装置100Cが付与する位相及びゲインの重みデータを生成する手法について説明する。ここでは、アレイアンテナ110Dが3本のビームを出力する形態について説明する。3本のビームのうちの1本目のビームは図1に示すビーム50Aであって第1ビームの一例である。2本目及び3本目のビームは、図1に示すビーム50Bのようにビーム50Aの複数のサイドローブ52Aのうちの少なくとも1本と干渉するメインローブを有する。ここでは3本のビームを1本目(#1)、2本目(#2)、3本目(#3)のビームとして区別して説明する。
ここで、64個のアンテナ素子112に対応するフェーズシフタ120D及びアンプ130Dに入力される位相及びゲインを表す重みデータを重みベクトルwで表す。重みベクトルwは、次式(1)で表され、64個の重み係数w0~wN-1を含む。Nはアンテナ素子112の数を表す2以上の整数であり、ここでは64である。
また、1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力を表す行列をAとする。行列Aは、第1行列の一例である。また、1本目(#1)のビームの複数のサイドローブのうち、2本目(#2)及び3本目(#3)のビームのメインローブと干渉するサイドローブの出力電力を表す行列をBとする。行列Bは、第2行列の一例である。
1本目(#1)のビームのメインローブの電力PSは次式(2)で表すことができる。式(2)において、Nはフェーズシフタ120Dとアンプ130Dとの組の数を表す。フェーズシフタ120Dとアンプ130Dが64個ずつある場合は、Nは64である。nは、フェーズシフタ120Dとアンプ130Dとの組の番号を表します。nは、0~N-1までの番号を表し、総数はNである。
ここで、太字で示すベクトルwHは、重みベクトルwの複素共役転置である。また、次式(4)に示すように、重みベクトルwに含まれる重み係数w0~wN-1の二乗和を定数Cとする。式(4)は、重みベクトルwについての拘束条件である。重み係数w0~wN-1の二乗和は、重みベクトルwとベクトルwHとを乗じることで得られる。なお、重み係数w0~wN-1の二乗和は全方向に放射される電力の総和と等しいため、全方向へ放射される電力を一定とするために、重み係数w0~wN-1の二乗和を定数Cにしている。
また、行列Aから行列Bに低減割合βを乗じた行列βBを減じて得る行列(A-βB)の最大固有値に対応する固有ベクトルを重みベクトルwとすると、2本目(#2)及び3本目(#3)のビームのメインローブと干渉するサイドローブを有する1本目(#1)のビームについて、2本目(#2)及び3本目(#3)のビームのメインローブと干渉するサイドローブの出力電力に対するメインローブの出力電力の比を表すSIRmaxは、次式(6)で表される。
ラグランジュの未定係数法を利用して、重みベクトルwを求めると次式(7)のようになる。βは、2本目(#2)及び3本目(#3)のビームのメインローブと干渉する1本目(#1)のビームのサイドローブの出力電力Bを低減する低減割合である。
式(8)より、ξは行列Aから行列Bに低減割合βを乗じた行列(A-βB)の最大固有値であり、最大固有値ξに対応する固有ベクトルが重みベクトルwとなる。このため、次式(9)が重みベクトルwの拘束条件となる。式(9)で求まる、行列(A-βB)の最大固有値ξに対応する固有ベクトルである重みベクトルwが、実施形態の無線通信装置100及びビーム制御方法で最終的に求めたい重みベクトルである。
図9は、制御装置100Cの構成を示す図である。制御装置100Cは、主制御部111C、条件導出部112C、重みベクトル生成部113C、重みベクトル付与部114C、低減割合導出部115C、許容割合導出部116C、SIR導出部117C、判定部118C、SIR更新部119C、重み抽出部120C、及びメモリ121Cを有する。制御装置100Cは、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、入出力インターフェース、及び内部バス等を含むコンピュータによって実現される。
主制御部111C、条件導出部112C、重みベクトル生成部113C、重みベクトル付与部114C、低減割合導出部115C、許容割合導出部116C、SIR導出部117C、判定部118C、SIR更新部119C、重み抽出部120Cは、制御装置100Cが実行するプログラムの機能(ファンクション)を機能ブロックとして示したものである。また、メモリ121Cは、制御装置100Cのメモリを機能的に表したものである。
主制御部111Cは、制御装置100Cの制御処理を統括する処理部であり、条件導出部112C、重みベクトル生成部113C、重みベクトル付与部114C、低減割合導出部115C、許容割合導出部116C、SIR導出部117C、判定部118C、SIR更新部119C、及び重み抽出部120Cが実行する処理以外の処理を実行する。
条件導出部112Cは、最大電力算出部の一例であり、最大電力PAを算出する。また、条件導出部112Cは、図6を用いて説明した最大電力PAと距離を用いて、各ビームIDのビームについての拘束条件を導出し、図7に示すデータを作成する。なお、条件導出部112Cは、最大電力PAについては予め設定された電力値をメモリ121Cから取得すればよく、距離については、各ビームIDに対して予め割り振られている電波の受信可能領域を表すデータに関連付けられている距離をメモリ121Cから取得すればよい。
重みベクトル生成部113Cは、重みベクトル導出部の一例であり、ビーム50Aのメインローブ51Aの出力電力を表す行列Aから、ビーム50Bのメインローブ51Bと干渉するビーム50Aのサイドローブ52Bの出力電力を低減する低減割合βにビーム50Aのサイドローブ52Aの出力電力を表す行列Bを乗じた行列(βB)を減じて得る行列(A-βB)の最大固有値に対応する重みベクトルwを求める。
より具体的には、重みベクトル生成部113Cは、行列Aから、低減割合βの初期値に行列Bを乗じた行列を減じて得る行列(A-βB)の最大固有値に対応する重みベクトルwの初期値を求める。
また、重みベクトル生成部113Cは、1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力を表す行列Aから、低減割合導出部115Cによって所定割合だけ増大された低減割合βに行列Bを乗じた行列を減じて得る行列(A-βB)の最大固有値に対応する重みベクトルwwを求める第2処理を行う。
また、重みベクトル生成部113Cは、第2処理で重みベクトルwwを求める前の重みベクトルwを重みベクトルwcとしてメモリ121Cに格納する。
重みベクトル付与部114Cは、フェーズシフタ120D(図5参照)に位相用の重みデータを出力するとともに、アンプ130Dにゲイン用の重みデータを出力する。このようにして、重みベクトル付与部114Cは、アレイアンテナ110Dから出力されるビーム50A、50Bに位相及びゲインの重みを付与する。重みベクトル付与部114Cは、重み抽出部120Cによって抽出された重みベクトルを出力する。重みベクトルwは、重みデータであり、位相及びゲインを表す。
低減割合導出部115Cは、低減割合βの初期値と、低減割合βを所定割合だけ増大させた低減割合βを導出する。低減割合βを所定割合だけ増大させた低減割合βを導出する処理は、低減割合導出部115Cが実行する第1処理の一例である。低減割合導出部115Cは、後述するフローチャートにおいて低減割合βを所定割合だけ増大させる処理を繰り返し行う場合がある。
許容割合導出部116Cは、最大電力PAを低減する際に、低減が許容される割合を表す許容割合αを導出する。最大電力PAを低下させるとサイドローブの出力が低下するため、SIRが大きくなる傾向がある。このため、SIRを最大化する過程において、許容割合導出部116Cは、最大電力PAの低減が許容される割合である許容割合αを低下させる。ただし、許容割合αが小さくなるとメインローブの出力電力が小さくなり、電波の放射距離が長いビームIDの受信可能領域が小さくなるため、下限を設ける。許容割合αは0より大きく1より小さい値である。
SIR導出部117Cは、重みベクトル生成部113Cによって生成される重みベクトルwを用いて、式(6)に基づいて、行列Bに重みベクトルwの初期値と重みベクトルwの初期値の複素共役転置wHとを乗じて得る1本目(#1)のビームのサイドローブの出力電力の初期値に対する、行列Aに重みベクトルwの初期値と重みベクトルの初期値の複素共役転置wHとを乗じて得る1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力の初期値の電力比を最大SIRmaxとして算出する。SIRは、信号電力と干渉電力との電力比を表す。
判定部118Cは、最大電力PAに許容割合αを乗じた電力αPAよりも行列Aに重みベクトルwと重みベクトルwの複素共役転置wHとを乗じて得る1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力(wHAw)の方が大きいかどうかを判定する。また、判定部118Cは、電力αPAよりも1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力(wHAw)の方が大きいと判定すると、さらに次のような判定を行う。判定部118Cは、行列Bに重みベクトルwwと重みベクトルwwの複素共役転置ww
Hとを乗じて得る1本目(#1)のビームのサイドローブの出力電力に対する、行列Aに重みベクトルwwと重みベクトルwwの複素共役転置ww
Hとを乗じて得る1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力の比であるSIRが、最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定する。ここで、重みベクトルwwは、低減割合導出部115Cによって所定割合だけ増大させた後の低減割合βを用いて求められる重みベクトルである。
SIR更新部119Cは、判定部118Cによって、行列Bに重みベクトルwwと重みベクトルwwの複素共役転置ww
Hとを乗じて得る1本目(#1)のビームのサイドローブの出力電力に対する、行列Aに重みベクトルwwと重みベクトルwwの複素共役転置ww
Hとを乗じて得る1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力の比であるSIRが、最大SIRmaxよりも大きいと判定されると、最大SIRmaxを大きいと判定されたSIRに更新する。
重み抽出部120Cは、判定部118Cによって、行列Bに重みベクトルwwと重みベクトルwwの複素共役転置ww
Hとを乗じて得る1本目(#1)のビームのサイドローブの出力電力に対する、行列Aに重みベクトルwwと重みベクトルwwの複素共役転置ww
Hとを乗じて得る1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力の比であるSIRが、最大SIRmaxよりも大きくないと判定されると、メモリ121Cに格納されている重みベクトルwcを抽出する。重み抽出部120Cによって抽出される重みベクトルwcは、最終的に求まる重みベクトルである。
メモリ121Cは、上述のような処理に必要なプログラム及びデータ等を格納する。
図10は、制御装置100Cが実行する処理を示すフローチャートである。制御装置100Cが処理を開始(スタート)すると、条件導出部112Cは、式(5)に従って最大電力PAを求める(ステップS1)。
低減割合導出部115Cは、低減割合βの初期値を導出する(ステップS2)。低減割合βの初期値をメモリ121Cに格納しておき、低減割合導出部115Cが読み出せばよい。低減割合βの初期値は、例えば実験等によって適切な値を予め求めておけばよい。
重みベクトル生成部113Cは、ビーム50Aのメインローブ51Aの出力電力を表す行列Aから、低減割合βの初期値にビーム50Aのサイドローブ52Aの出力電力を表す行列Bを乗じた行列(βB)を減じて得る行列A-βBの最大固有値に対応する重みベクトルwを求める(ステップS3)。
SIR導出部117Cは、重みベクトル生成部113CによってステップS3で生成される重みベクトルwを用いて、式(6)に基づいて、行列Bに重みベクトルwの初期値と重みベクトルwの初期値の複素共役転置wHとを乗じて得る1本目(#1)のビームのサイドローブの出力電力の初期値に対する、行列Aに重みベクトルwの初期値と重みベクトルの初期値の複素共役転置wHとを乗じて得る1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力の初期値の電力比を最大SIRmaxとして算出する(ステップS4)。
低減割合導出部115Cは、低減割合βを所定割合だけ増大させた低減割合βを導出する(ステップS5)。ステップS5の処理は、低減割合導出部115Cが行う第1処理である。所定割合の増大は、例えば、予め決められた所定値を低減割合βに加算するか、又は、低減割合βを定数倍する等によって行えばよい。
重みベクトル生成部113Cは、このときの重みベクトルwを重みベクトルwcとしてメモリ121Cに格納する(ステップS6)。すなわち、重みベクトル生成部113Cは、第2処理で重みベクトルwwを求める前の重みベクトルwを重みベクトルwcとしてメモリ121Cに格納する。
重みベクトル生成部113Cは、1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力を表す行列Aから、低減割合導出部115Cによって所定割合だけ増大された低減割合βに行列Bを乗じた行列を減じて得る行列(A-βB)の最大固有値に対応する重みベクトルwwを求める(ステップS7)。ステップS7の処理は、重みベクトル生成部113Cが実行する第2処理である。
判定部118Cは、ステップS8では、次の2つの判定を行う(ステップS8)。判定部118Cは、1つ目の判定として、最大電力PAに許容割合αを乗じた電力αPAよりも行列Aに重みベクトルwwと重みベクトルwwの複素共役転置ww
Hとを乗じて得る1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力(ww
HAww)の方が大きいかどうかを判定する。また、判定部118Cは、電力αPAよりも1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力(ww
HAww)の方が大きいと判定すると、2つ目の判定として、行列Bに重みベクトルwwと重みベクトルwwの複素共役転置ww
Hとを乗じて得る1本目(#1)のビームのサイドローブの出力電力に対する、行列Aに重みベクトルwwと重みベクトルwwの複素共役転置ww
Hとを乗じて得る1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力の電力比であるSIRが、最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定する。
SIR更新部119Cは、判定部118CによってステップS8における2つの判定が成立した(S8:YES)と判定されると、最大SIRmaxをその電力比に更新する(ステップS9)。ステップS9の処理を終えると、フローはステップS5にリターンする。
また、ステップS5からS8まで進行して、判定部118Cが電力αPAよりも出力電力ww
HAwwの方が大きいが、電力比が最大SIRmaxよりも大きくない(S8:NO)と判定すると、重み抽出部120Cは、メモリ121Cに格納されている重みベクトルwcを最終的に求まる重みベクトルとして抽出する(ステップS10)。ステップS5~S8の処理を1回ずつ行ってステップS8でNOと判定する場合も有り得るが、ステップS5~S8の処理を繰り返しながら、ステップS9で最大SIRmaxの値を更新することによって、最終的に求まる重みベクトルwcが最適化される。すなわち、重みベクトルwcの最適値が求まる。
また、ステップS8において、判定部118Cが電力αPAよりも出力電力ww
HAwwの方が大きいと判定した場合においても、重み抽出部120Cは、メモリ121Cに格納されている重みベクトルwcを最終的に求まる重みベクトルとして抽出する(ステップS10)。ステップS8における1つ目の判定(判定αPA<ww
HAww)が成り立たない場合は、メインローブが小さくなりすぎている場合であり、そのときの低減割合βを使った計算を行う前の重みベクトルwcが最終的に求まる最適化された重みベクトルwcとなる。低減割合βを大きくすると干渉を抑える効果が大きくなるためSIRが大きくなり、メインローブが小さくなる傾向がある。このため、1つ目の判定(判定αPA<ww
HAww)が成り立たないということは低減割合βを大きくしすぎてしまったことを表し、その前までに求めた重みベクトルwcが最適値になる。
図11は、ビームの分布を示す図である。ここでは、16個のアンテナ素子112を一直線状に配置してビームフォーミングを行った場合のシミュレーション結果について説明する。図11において、横軸は方向であり、縦軸は相対電力(dB)を示す。実施形態の実線の他に、信号最大とSIR最大の特性を示す。信号最大は、低減割合βをゼロ(β=0)にした場合に得られるビームの分布であり、SIR最大は、SIRの最大値を得るためにビームの出力を低減した場合のビームの分布を示す。実施形態のビームの分布は、図10に示すフローチャートに従って、許容割合αをなるべく大きくしつつ、低減割合βの最適化を図った場合に得られたビームの分布である。なお、-90度(deg.)から-40度で0dB、-40度から-30度で-70dB、-30度から-20度で0dB、-20度から-5度で30dB、-5度から0度で0dB、0度から40度で-70dB、及び40度から90度で0dBの破線は、サイドローブの不要な放射を押さえる領域(-40度から-30度と0度から40度)と、メインローブの領域(-20度から-5度)を表す。
図11に示す実施形態、信号最大、SIR最大のいずれのビームの分布においても、メインローブは、方向が約-20[deg.]から約0[deg.]の区間に存在し、その他の方向に複数のサイドローブが存在している。
図11に示すように、実施形態のメインローブの相対電力は、信号最大のメインローブの相対電力に比べて僅かに低下したが、殆ど変わらないレベルであり、約20dB程度であった。SIR最大のメインローブの相対電力は、実施形態のメインローブと信号最大のメインローブの相対電力に比べると大幅に低下しており、約2dBであった。
また、実施形態のサイドローブの相対電力は、信号最大のサイドローブの相対電力(約-10~約0dB)に比べて大幅に低下しており、約-20dB~約-15dBであった。SIR最大のサイドローブの相対電力は、約-63~約-55dBであるが、実施形態のサイドローブの相対電力は十分に低いレベルであった。
図12は、各アンテナ素子の出力と位相を示す図である。図12(A)には出力の振幅(dB)を示し、図12(B)には出力の位相[deg.]を示す。ここでは、図11と同様に、16個のアンテナ素子112を一直線状に配置してビームフォーミングを行った場合のシミュレーション結果について説明する。アンテナ素子112の素子番号は、端から0~15とする。
図12(A)に示すように、SIR最大の場合の16個のアンテナ素子112の出力は、素子番号が5から10の中央側のアンテナ素子112の出力に比べて、素子番号が0~4又は11~15の両端に位置するアンテナ素子112の出力が極端に低下していることが分かった。また、実施形態の場合の16個のアンテナ素子112の出力は、信号最大の場合の出力と同様の傾向を示し、素子番号が0~4又は11~15の両端に位置するアンテナ素子112の出力は低下しているが、SIR最大の場合ほど極端な低下ではないことが分かった。
また、図12(B)に示すように、実施形態の場合の16個のアンテナ素子112の出力の位相は、信号最大の場合の出力と同様の傾向を示し、周期的に変化した。また、SIR最大の場合には、隣り合うアンテナ素子112で位相が大きく変化していた。図12(A)、図12(B)の結果より、実施形態の場合には、出力を低減したいサイドローブが存在する方向の出力が低減されていることが分かった。実施形態のメインローブを大きくするためには、信号最大の場合と同様の位相を保つ拘束条件の中で、出力を低減したいサイドローブの出力を低減するように、振幅と位相が調整される。一方で、SIR最大の場合は、メインローブを大きくする位相の拘束条件無しに、出力を低減したいサイドローブを低減するように、振幅と位相が調整される。このため、図12(B)に示すような結果が得られた。
図13は、SIRの度数分布を示す図である。図13に示すSIRの度数分布は、基地局と4つの端末と同時に通信している状態で得たものである。度数分布は、SIRが同一の数を表す。SIRはスループットに関連するため、SIRが大きければスループットが高く、例えば5Gの場合1Gbpsなどで通信可能な状態である。SIRが小さいとスループットが低いため、例えば数Mbps程度でしか通信できないことになる。
図13では、8個のアンテナ素子112を一直線状に配置してビームフォーミングを行った場合のシミュレーション結果について説明する。図13では、実施形態の場合に得られるSIRと、チェビシェフの重み付けによって得られるSIRと、重み付けを行わない(重み付けなし)の場合のSIRとを比較する。
実施形態の場合は、チェビシェフと重み付けなしの場合に比べて、全体的にSIRの値が大きくなっていることが分かった。このため、1つのビームのサイドローブと、他のビームのメインローブとの干渉が低減されていることが分かる。
以上のように、行列A-βBの最大固有値に対応する重みベクトルwを求め、重みベクトルwを用いてSIRmaxを導出し、SIRmaxが最大化するように低減割合βの値を決定する。このような手法により、行列A-βBから得られるSIRmaxが最大化する低減割合βを求めることで、SIRmaxが最大化する重みベクトルwcの最適値を確実に求めることができる。
したがって、特定の方向のサイドローブの出力を低下させるための重みの最適値を確実に求めることができる無線通信装置100を提供することができる。
また、許容割合αを設け、電力αPAよりも1本目(#1)のビームのメインローブの出力電力(ww
HAww)の方が大きい場合に、SIRmaxを更新するため、図11及び図12に示したSIR最大のようにメインローブ及びサイドローブの電力を低減するような重み付けを避けることができ、メインローブの高い出力電力が得られる。
また、以上では、ビーム出力装置100Dが8×8で配列される64個のアンテナ素子112Dを含む形態について説明したが、アンテナ素子112Dの数及び配列は、このような形態に限定されるものではない。図11及び図12で説明したように、複数のアンテナ素子112が一直線状に配列される構成であってもよい。
また、以上では式(4)に示したように重み係数w0~wN-1の二乗和を定数Cとする形態について説明したが、式(10)に示すように重み係数w0~wN-1の各々が定数C以下になるようにしてもよい。各アンテナ素子112に同じアンプ130Dを接続した場合、各アンテナ素子112で送信できる最大電力が一定になるので、重み係数w0~wN-1の各々を一定値以下にする場合には、式(10)に従えばよい。
図14は、実施形態の変形例の制御装置100Cが実行する処理を示すフローチャートである。図14に示すフローは、図10に示すフローのステップS8とステップS10との間にステップS10A及びS10Bを挿入したものである。ここでは相違点について説明する。
ステップS8において判定部118Cは、電力αPAよりも出力電力ww
HAwwの方が大きいが、電力比が最大SIRmaxよりも大きくない(S8:NO)と判定すると、最大SIRmaxが所定のSIR0よりも小さいかどうかを判定する(ステップS10A)。所定のSIR0は、SIRとして必要な下限値である。すなわち、下限値である所定のSIR0以上であることを補償する場合に、このようなステップS10Aを設けている。
判定部118Cによって最大SIRmaxが所定のSIR0よりも小さい(S10A:YES)と判定されると、許容割合導出部116Cは、許容割合αを所定値だけ小さくする(ステップS10B)。ステップS10Bの処理を終えると、フローはステップS5にリターンする。
ステップS5~S8を経て、ステップS10Aにおいて判定部118Cが最大SIRmaxが所定のSIR0よりも小さくない(S10A:NO)と判定すると、重み抽出部120Cは、メモリ121Cに格納されている重みベクトルwcを最終的に求まる重みベクトルとして抽出する(ステップS10C)。ステップS10Cの処理は、図10のステップS10の処理と同一である。
図14に示すフローによれば、SIRが下限値SIR0以上であることを補償することができる。
以上、本発明の例示的な実施形態の無線通信装置、及び、ビーム制御方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
ゲイン及び/又は位相に対する重み付けを表す重みベクトルに基づいて第1ビーム及び第2ビームを出力する複数のアンテナ素子と、
前記第1ビームのメインローブの出力電力を表す第1行列から、前記第2ビームのメインローブと干渉する前記第1ビームのサイドローブの出力電力を低減する低減割合に前記第1ビームのサイドローブの出力電力を表す第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルを求める重みベクトル導出部と、
前記第2行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力に対する、前記第1行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の電力比が、最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定する判定部と、
前記判定部によって前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きくないと判定されると、前記重みベクトルを抽出する重み抽出部と
を含む、無線通信装置。
(付記2)
前記重みベクトル導出部は、前記第1行列から、前記低減割合の初期値に前記第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルの初期値を求め、
前記第2行列に前記重みベクトルの初期値と前記重みベクトルの初期値の複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力の初期値に対する、前記第1行列に前記重みベクトルの初期値と前記重みベクトルの初期値の複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の初期値の電力比を前記最大SIRmaxとして導出するSIR導出部と、
前記低減割合を所定割合だけ増大させた低減割合を導出する第1処理を行う低減割合導出部と
をさらに含み、
前記重みベクトル導出部は、前記第1ビームのメインローブの出力電力を表す第1行列から、前記低減割合導出部によって前記所定割合だけ増大された低減割合に前記第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルを求める第2処理を行い、
前記判定部は、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第2行列に乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力に対する、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第1行列に乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の電力比が、前記最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定する第3処理を行う、付記1に記載の無線通信装置。
(付記3)
前記判定部によって前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きいと判定されると、前記最大SIRmaxを前記電力比に更新する更新部をさらに含み、
前記更新部によって前記最大SIRmaxが前記電力比に更新されると、前記低減割合導出部
による前記第1処理、前記前記重みベクトル導出部による前記第2処理、及び、前記判定部による前記第3処理を繰り返し実行する、付記2に記載の無線通信装置。
(付記4)
所定条件の下で前記第1ビームが出力可能な最大電力を算出する最大電力算出部と、
前記第1ビームのメインローブの出力電力について前記最大電力に対する低下を許容可能な許容割合を導出する許容割合導出部と
をさらに含み、
前記判定部は、前記最大電力に前記許容割合を乗じた電力よりも、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと、当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第1行列に乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の方が大きいかどうかを判定するとともに、前記第3処理を行い、
前記更新部は、前記判定部によって、前記最大電力に前記許容割合を乗じた電力よりも、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと、当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第1行列に乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の方が大きいと判定されるとともに、前記第3処理において前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きいと判定されると、前記最大SIRmaxを更新する、付記3に記載の無線通信装置。
(付記5)
前記最大電力算出部が前記最大電力を算出する際の前記所定条件は、前記第1ビームのメインローブが到達可能な最大距離である、付記4に記載の無線通信装置。
(付記6)
前記重みベクトル導出部は、前記重みベクトルの二乗和が一定という条件の下で、前記重みベクトルを求める、付記1乃至5のいずれか1項に記載の無線通信装置。
(付記7)
前記重みベクトル導出部は、前記重みベクトルの各重み係数が一定値以下という条件の下で、前記重みベクトルを求める、付記1乃至5のいずれか1項に記載の無線通信装置。
(付記8)
ゲイン及び/又は位相に対する重み付けを表す重みベクトルに基づいて第1ビーム及び第2ビームを出力する複数のアンテナ素子を含む無線通信装置におけるビーム制御方法であって、
前記第1ビームのメインローブの出力電力を表す第1行列から、前記第2ビームのメインローブと干渉する前記第1ビームのサイドローブの出力電力を低減する低減割合に前記第1ビームのサイドローブの出力電力を表す第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルを求めることと、
前記第2行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力に対する、前記第1行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の電力比が、最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定することと、
前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きくないと判定されると、前記重みベクトルを抽出することと
を含む処理をコンピュータが実行する、ビーム制御方法。
以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
ゲイン及び/又は位相に対する重み付けを表す重みベクトルに基づいて第1ビーム及び第2ビームを出力する複数のアンテナ素子と、
前記第1ビームのメインローブの出力電力を表す第1行列から、前記第2ビームのメインローブと干渉する前記第1ビームのサイドローブの出力電力を低減する低減割合に前記第1ビームのサイドローブの出力電力を表す第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルを求める重みベクトル導出部と、
前記第2行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力に対する、前記第1行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の電力比が、最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定する判定部と、
前記判定部によって前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きくないと判定されると、前記重みベクトルを抽出する重み抽出部と
を含む、無線通信装置。
(付記2)
前記重みベクトル導出部は、前記第1行列から、前記低減割合の初期値に前記第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルの初期値を求め、
前記第2行列に前記重みベクトルの初期値と前記重みベクトルの初期値の複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力の初期値に対する、前記第1行列に前記重みベクトルの初期値と前記重みベクトルの初期値の複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の初期値の電力比を前記最大SIRmaxとして導出するSIR導出部と、
前記低減割合を所定割合だけ増大させた低減割合を導出する第1処理を行う低減割合導出部と
をさらに含み、
前記重みベクトル導出部は、前記第1ビームのメインローブの出力電力を表す第1行列から、前記低減割合導出部によって前記所定割合だけ増大された低減割合に前記第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルを求める第2処理を行い、
前記判定部は、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第2行列に乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力に対する、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第1行列に乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の電力比が、前記最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定する第3処理を行う、付記1に記載の無線通信装置。
(付記3)
前記判定部によって前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きいと判定されると、前記最大SIRmaxを前記電力比に更新する更新部をさらに含み、
前記更新部によって前記最大SIRmaxが前記電力比に更新されると、前記低減割合導出部
による前記第1処理、前記前記重みベクトル導出部による前記第2処理、及び、前記判定部による前記第3処理を繰り返し実行する、付記2に記載の無線通信装置。
(付記4)
所定条件の下で前記第1ビームが出力可能な最大電力を算出する最大電力算出部と、
前記第1ビームのメインローブの出力電力について前記最大電力に対する低下を許容可能な許容割合を導出する許容割合導出部と
をさらに含み、
前記判定部は、前記最大電力に前記許容割合を乗じた電力よりも、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと、当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第1行列に乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の方が大きいかどうかを判定するとともに、前記第3処理を行い、
前記更新部は、前記判定部によって、前記最大電力に前記許容割合を乗じた電力よりも、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと、当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第1行列に乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の方が大きいと判定されるとともに、前記第3処理において前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きいと判定されると、前記最大SIRmaxを更新する、付記3に記載の無線通信装置。
(付記5)
前記最大電力算出部が前記最大電力を算出する際の前記所定条件は、前記第1ビームのメインローブが到達可能な最大距離である、付記4に記載の無線通信装置。
(付記6)
前記重みベクトル導出部は、前記重みベクトルの二乗和が一定という条件の下で、前記重みベクトルを求める、付記1乃至5のいずれか1項に記載の無線通信装置。
(付記7)
前記重みベクトル導出部は、前記重みベクトルの各重み係数が一定値以下という条件の下で、前記重みベクトルを求める、付記1乃至5のいずれか1項に記載の無線通信装置。
(付記8)
ゲイン及び/又は位相に対する重み付けを表す重みベクトルに基づいて第1ビーム及び第2ビームを出力する複数のアンテナ素子を含む無線通信装置におけるビーム制御方法であって、
前記第1ビームのメインローブの出力電力を表す第1行列から、前記第2ビームのメインローブと干渉する前記第1ビームのサイドローブの出力電力を低減する低減割合に前記第1ビームのサイドローブの出力電力を表す第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルを求めることと、
前記第2行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力に対する、前記第1行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の電力比が、最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定することと、
前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きくないと判定されると、前記重みベクトルを抽出することと
を含む処理をコンピュータが実行する、ビーム制御方法。
10 基地局
50A、50B ビーム
51A、51B メインローブ
52A、52B サイドローブ
100 無線通信装置
100C 制御装置
111C 主制御部
112C 条件導出部
113C 重みベクトル生成部
114C 重みベクトル付与部
115C 低減割合導出部
116C 許容割合導出部
117C SIR導出部
118C 判定部
119C SIR更新部
120C 重み抽出部
121C メモリ
100D ビーム出力装置
110D アレイアンテナ
112D アンテナ素子
120D フェーズシフタ
130D アンプ
50A、50B ビーム
51A、51B メインローブ
52A、52B サイドローブ
100 無線通信装置
100C 制御装置
111C 主制御部
112C 条件導出部
113C 重みベクトル生成部
114C 重みベクトル付与部
115C 低減割合導出部
116C 許容割合導出部
117C SIR導出部
118C 判定部
119C SIR更新部
120C 重み抽出部
121C メモリ
100D ビーム出力装置
110D アレイアンテナ
112D アンテナ素子
120D フェーズシフタ
130D アンプ
Claims (8)
- ゲイン及び/又は位相に対する重み付けを表す重みベクトルに基づいて第1ビーム及び第2ビームを出力する複数のアンテナ素子と、
前記第1ビームのメインローブの出力電力を表す第1行列から、前記第2ビームのメインローブと干渉する前記第1ビームのサイドローブの出力電力を低減する低減割合に前記第1ビームのサイドローブの出力電力を表す第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルを求める重みベクトル導出部と、
前記第2行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力に対する、前記第1行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の電力比が、最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定する判定部と、
前記判定部によって前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きくないと判定されると、前記重みベクトルを抽出する重み抽出部と
を含む、無線通信装置。 - 前記重みベクトル導出部は、前記第1行列から、前記低減割合の初期値に前記第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルの初期値を求め、
前記第2行列に前記重みベクトルの初期値と前記重みベクトルの初期値の複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力の初期値に対する、前記第1行列に前記重みベクトルの初期値と前記重みベクトルの初期値の複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の初期値の電力比を前記最大SIRmaxとして導出するSIR導出部と、
前記低減割合を所定割合だけ増大させた低減割合を導出する第1処理を行う低減割合導出部と
をさらに含み、
前記重みベクトル導出部は、前記第1ビームのメインローブの出力電力を表す第1行列から、前記低減割合導出部によって前記所定割合だけ増大された低減割合に前記第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルを求める第2処理を行い、
前記判定部は、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第2行列に乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力に対する、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第1行列に乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の電力比が、前記最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定する第3処理を行う、請求項1に記載の無線通信装置。 - 前記判定部によって前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きいと判定されると、前記最大SIRmaxを前記電力比に更新する更新部をさらに含み、
前記更新部によって前記最大SIRmaxが前記電力比に更新されると、前記低減割合導出部
による前記第1処理、前記前記重みベクトル導出部による前記第2処理、及び、前記判定部による前記第3処理を繰り返し実行する、請求項2に記載の無線通信装置。 - 所定条件の下で前記第1ビームが出力可能な最大電力を算出する最大電力算出部と、
前記第1ビームのメインローブの出力電力について前記最大電力に対する低下を許容可能な許容割合を導出する許容割合導出部と
をさらに含み、
前記判定部は、前記最大電力に前記許容割合を乗じた電力よりも、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと、当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第1行列に乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の方が大きいかどうかを判定するとともに、前記第3処理を行い、
前記更新部は、前記判定部によって、前記最大電力に前記許容割合を乗じた電力よりも、前記所定割合だけ増大させた低減割合を用いて得られた前記重みベクトルと、当該重みベクトルの複素共役転置とを前記第1行列に乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の方が大きいと判定されるとともに、前記第3処理において前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きいと判定されると、前記最大SIRmaxを更新する、請求項3に記載の無線通信装置。 - 前記最大電力算出部が前記最大電力を算出する際の前記所定条件は、前記第1ビームのメインローブが到達可能な最大距離である、請求項4に記載の無線通信装置。
- 前記重みベクトル導出部は、前記重みベクトルの二乗和が一定という条件の下で、前記重みベクトルを求める、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の無線通信装置。
- 前記重みベクトル導出部は、前記重みベクトルの各重み係数が一定値以下という条件の下で、前記重みベクトルを求める、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の無線通信装置。
- ゲイン及び/又は位相に対する重み付けを表す重みベクトルに基づいて第1ビーム及び第2ビームを出力する複数のアンテナ素子を含む無線通信装置におけるビーム制御方法であって、
前記第1ビームのメインローブの出力電力を表す第1行列から、前記第2ビームのメインローブと干渉する前記第1ビームのサイドローブの出力電力を低減する低減割合に前記第1ビームのサイドローブの出力電力を表す第2行列を乗じた行列を減じて得る行列の最大固有値に対応する重みベクトルを求めることと、
前記第2行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのサイドローブの出力電力に対する、前記第1行列に前記重みベクトルと前記重みベクトルの複素共役転置とを乗じて得る前記第1ビームのメインローブの出力電力の電力比が、最大SIRmaxよりも大きいかどうかを判定することと、
前記電力比が前記最大SIRmaxよりも大きくないと判定されると、前記重みベクトルを抽出することと
を含む処理をコンピュータが実行する、ビーム制御方法。
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