JP3872045B2

JP3872045B2 - 電波到来方向推定機能を搭載した携帯無線端末

Info

Publication number: JP3872045B2
Application number: JP2003289253A
Authority: JP
Inventors: 隆宏新井
Original assignee: 埼玉日本電気株式会社
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: JP2005109530A

Description

本発明は、ＣＤＭＡ方式、ＷＣＤＭＡ方式等を利用した移動体通信システムにおいて用いられる携帯電話機等の携帯無線端末に関する。

携帯電話機は、例えば、ホイップ状のエレメントと、このホイップ状エレメントの先端に絶縁して設けられたコイル状のエレメントからなるアンテナを使用し、受信待ち状態ではホイップ状エレメントは携帯電話機の筐体内に収納され、コイル状エレメントによって送受信を行い、通話時あるいは受信感度が低い場合には利得の高いホイップ状エレメントを筐体から引き出し、ホイップ状エレメントにより送受信を行う構成、あるいは、伸長するアンテナと端末内部に存在するアンテナを備え、これらのアンテナのうち何れか一つ、または双方を用いてダイバーシチ受信を行う構成等により、基地局との間で無線による通信を行っている。

これらの通信用アンテナは、一般に、何れの方角から到来する電波でも受信可能となるように無指向性アンテナであることが好ましいが、実際には固有の指向性を有しており携帯端末の向きあるいは使用状態等によって受信感度が異なる。基地局の近く等、もともと位置的に高い電界強度を有し受信状態が良好な場所で通信を行っている場合には、多少指向性が悪い方向であっても十分な受信レベルが得られるので所望の通話品質による通信を行うことができるが、基地局から離れた場所等位置的に電界強度の弱い地域あるいは電波伝搬環境の悪い地域で十分な受信レベルが得られない場合には、アンテナの指向特性が良好な方向と電波到来方向とが一致していないと、所望の通話品質による通信を行うことが困難となる。

このような問題を解消する方法として、特許文献１〜２では、携帯無線端末にアダプティブアレーアンテナを搭載し、アンテナの指向性ビームの方向を制御することにより、携帯無線機に対するフェージングの状況に応じてアンテナの指向性を変えて通話品質の維持を図っている。また、特許文献２では、このアダプティブアレーアンテナを用いて携帯端末の水平面内における全方向に対して順次指向性を持たせ、各方向に対して接続対象となる基地局の受信レベルを測定して３次元表示している。

特許文献１〜２記載の携帯無線端末によれば、携帯無線機に対するフェージングの状況に応じてアンテナの指向性を変えることができるので携帯端末の向きに関係なく常に最適なアンテナ指向性を実現することができ、また、使用している携帯端末の周辺の電波伝搬状態をリアルタイムに測定して表示することが可能となるが、このようなアダプティブアレーアンテナを搭載した場合、複数のアンテナと、これらのアンテナに付属する受信系統を必要とし、かつ各アンテナで送受信される信号に対する重み係数の演算処理を行わなければならないため、受信状態の改善と引き換えに、回路構成の複雑化及び消費電力の増大という問題が生じる。

特許文献３では、アダプティブアレーアンテナを搭載することによる消費電力の増大を解消するために、単一アンテナ受信モードのデータ受信に用いられる単一アンテナと、アダプティブアレーアンテナ受信モードのデータ受信に用いられる複数のアンテナから構成されるアダプティブアレーアンテナとを備え、受信状態が良好な場所で単一のアンテナでも所望の通話品質が保てる場合には、単一アンテナ受信系統を除く他のアダプティブアレーアンテナ受信系統を停止し、受信状態が不良な場所で単一アンテナ受信では所望の通話品質が保てない場合のみアダプティブアレーアンテナ受信系統を動作させることによって、不要な電力消費を抑えている。

特開平１１−９８０４９号公報特開２００２−１３５１９８号公報特開２００３−３７５４７号公報特開２００２−０４８８５３号公報

しかし、特許文献３においても、受信状態が不良な場所で単一アンテナ受信では所望の通話品質が保てない場合にはアダプティブアレーアンテナ受信系統を動作させる必要があり、各アンテナに付属する受信系統の重み係数の演算処理を行わなければならないため、その場合には消費電力の抑制効果は得られず、また、回路構成も複雑である。

指向特性一定の単一アンテナによる受信を行っている場合に、突然電界強度が悪くなった場合や位置的に電界強度の弱い地域に移動した場合であっても、電波の到来方向が分かれば、アンテナの指向性良好な方向と電波の到来方向が一致するように携帯無線端末の向きを変更することにより通話品質の向上を図ることは可能である。また、近年、電波の到来方向推定技術が盛んになっており、少ないアレー素子により高分解能な推定技術が開発されつつある。

本発明の目的は、携帯無線機に電波の到来方向を探知可能な手段を搭載することにより、電界強度の比較的弱い場所であっても、電力消費の増大を伴うことなく比較的簡単な構成で通話品質の向上を図ることが可能な手段を提供することにある。

本発明は、所定の無線通信周波数帯の電波により基地局との間で無線通信を行う指向特性一定の送受信アンテナを備えた携帯無線端末において、該携帯無線端末に、前記送受信アンテナとは別に、前記無線通信周波数の電波の到来方向を探知するために用いられるアレーアンテナと、該アレーアンテナにより受信された前記無線通信周波数の電波からその到来方向を推定する電波到来方向推定手段と、該電波到来方向推定手段により推定された電波到来方向を前記携帯無線端末の表示部に表示する手段を備えたことを特徴とする。

また本発明の電波到来方向推定機能を搭載した携帯無線端末は、前記送受信アンテナにより受信された信号レベルを監視する電界強度監視手段を備えており、該電界強度監視手段は、前記送受信アンテナにより受信された信号レベルが所定レベル以下であることが検出されたときのみ、前記電波到来方向推定手段に対して、前記電波の到来方向推定動作の実行を指示することを特徴とする。

本発明によれば、例えばＣＤＭＡ方式、ＷＣＤＭＡ方式等を利用した移動体通信システムにおいて、携帯端末に電波の到来方向を探知するためのアレーアンテナを搭載し、ユーザーがモニター上で電界強度の良好な方向を確認できるので、携帯端末の向きを変えてアンテナの指向特性を最適化させ、あるいは携帯端末を電波到来方向に移動させることにより、通話品質の向上を図ることができる。

また、本発明のアレーアンテナは、電波の到来方向探知のためにのみ使用されるものであって、このアレーアンテナをアダプティブアレーアンテナの機能をもたせた送受信アンテナとして用いるものではないので、回路構成も比較的簡単であり消費電力の増加も最低限に抑えることができ、移動端末として重要なファクターである使用時間を短縮してしまうという問題を回避することができる。

図１〜図３は、本発明の実施形態を示す図であり、図１は本実施形態の要部を示すブロック図、図２は本実施形態の携帯無線端末の背面図、図３は本実施形態の携帯無線端末の正面図である。

本実施形態の携帯無線端末には、基地局からのデータを通常の送受信アンテナにて受信する電波受信部１と、電波受信部１で受信された信号のレベルを常時監視する電界強度監視部２と、電界強度監視部２で監視している受信レベルが所定レベル以下のときに端末に配置されたアレーアンテナを用いて電波到来方向推定を行う電波到来方向推定機能部４と、端末に内蔵された方位磁石により現在の端末がどの方角を向いているのかを常に監視する方位監視部５と、電界強度監視部２で監視されている受信レベルと電波到来方向推定機能部４で推定された電波到来方向と方位監視部５で監視されている端末の向いている方角を端末画面上で表示するモニター３とが備えられている。

図２に示すように、携帯無線端末の筐体１０背面（リア）側には、送受信用のアンテナ１１と電波到来方向を検知するためにアレー（図では４素子の方形アレー）状に配置された小型のチップアンテナ１２が内蔵されている。また、図示されていないが筐体１０内には、携帯無線端末の向き（方角）を割り出すために３６０度回転する方位磁針が設けられている。一方、図３に示すように、携帯無線端末の筐体１０正面（フロント）側には、携帯無線端末各種操作を行うためのキー群１３と、表示部１４、送話器１５、受話器１６等が配置されている。

表示部１４には、モニター３によって受信レベル表示１７、方角表示１８、及び電波の到来方向表示１９がそれぞれ表示される。このモニター方法は、３６０度回転する方位磁針がある基準から何度ずれているかによって方角を割り出しモニターに表示する処理と、携帯電話の背面に埋め込まれたチップ型のアレーアンテナ１２により受信された信号に基づいて到来方向推定機能部４で電波到来方向を推定し、より電波が受信しやすい方角１９をモニター上に表示させる処理を含む。

アレーアンテナ素子を用いて電波到来方向を推定する到来方向推定アルゴリズムとしては、計算負荷の少ないBeamforming法と、より高精度に推定が行えるスーパーレゾリューション法が適用可能である。到来方向推定アルゴリズムによってアンテナ構成に変更はない。この推定結果と方位磁石で得られた方角から現在の端末の向きに対してどこから電波が入射しているのかを随時モニター（表示部１４）上で表示させることにより、ユーザーに通知することが可能となる。

ここで、スーパーレゾリューション法の一つであって従来から良く知られているＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）法について簡単に説明する。

この手法は各アレー素子に位相がずれて入射された信号から相関行列を作り、固有値解析を行って信号成分と雑音成分を求めるものである。固有値の固有ベクトルが信号の雑音ベクトルと直交する性質をもつため、角度を−１８０度から１８０度まで掃引した場合、評価式から値が発散するためピーク値が求まる。そのときの角度が電波の到来方向角度である。スーパーレゾリューション法とはこのように固有値解析に基づく手法の総称であり、ＭＵＳＩＣ法とはそのうちの最も一般的な手法の一つである。（なお、ＭＵＳＩＣ法の詳細については特許文献４等に記載されている。）

図４は本実施形態の処理フローである。以下、図１〜図４を参照して本実施形態の動作について説明する。

通話中送受信アンテナ１１により電波を受信する（Ｓ１１）と、電界強度監視部２はその受信レベルを測定することにより端末の存在地点における電界強度を求めそれを監視する（Ｓ１２）。求められた電界強度ｋ（ｉ）を一定の基準閾値Ｄと比較し（Ｓ１３）、ｋ（ｉ）≧Ｄの場合は、通常の通話が可能である（Ｓ１４）としてそのまま通話を行う。一方、ｋ（ｉ）＜Ｄの場合には、電界強度ｋ（ｉ）が弱く通話が途切れる場合があるので、電界強度監視部２は到来方向推定機能部４に対してアレーアンテナ１２による電波の到来方向推定処理を指示し、到来方向推定機能部４はこの指示を受けて電波の到来方向推定処理を実行する（Ｓ１５）。

到来方向推定機能部４で推定された電波到来方向は、モニター（表示部１４）上に表示される（Ｓ１６）。この表示は、例えば図３に示すように、端末の表示面上に簡単な端末の絵を表示し、現在端末が向いている方角からどちらの方向に到来波を探知したのかを計算し表示する。端末の向いている方角が既知であることを利用し、それを基準に計算することにより電波の到来方向が算出できる。

ユーザーは端末をその方角へ端末を向けるか、または移動し（Ｓ１７）、モニター上に随時表示される電界強度表示１７を監視して、通話品質の維持または向上を図る。その際、ユーザーの移動を何らかの手段で検知（例えばユーザーが移動確認ボタンを押す、あるいは移動に伴う電界強度の変化が所定レベル変化した等）したときには、再度（Ｓ１２）の電界強度監視を繰り返す。この繰り返しをある一定回数ｎ回試みても状況が改善しない場合（ｉ＝ｎ）は、通話中断処理を行い（Ｓ１８）、その旨を表示部１４に表示させることもできる。

以上の動作により随時端末のモニターに更新された情報が表示されるので、ユーザーはこの表示を見ながら端末を移動させることにより通話品質を向上させることができる。そして、電界強度が閾値Ｄよりも大きくなれば、通話可能な品質がえられたことになるので、通話可能状態に復帰する（Ｓ１４）。

図５は、本発明で用いることができるアレーアンテナの他の実施例を示している。図示されているように、アレーアンテナは、円形アレー２１、方形アレー２２、リニアアレー２３など様々な定式化が可能である。また、素子数が多ければ多いほど高精度な推定が可能となる。また、これらのアレーアンテナは、端末筐体１０に実装するか、あるいは付属キットとして構成し、携帯端末に取り付け可能に構成することができる。

一方コストの面からは、これらの円形アレー２１、方形アレー２２、リニアアレー２３において素子数を減らした方が有利であり、また、素子数を間引いても精度良く到来方向推定が行える技術も確立されている。従って、ソフトウェアの変更により、適宜のアルゴリズムを適用することにより、運用上ハードウェアの変更を行わなくても精度の良い到来方向推定が可能である。

本発明の実施形態の要部を示すブロック図である。本実施形態の携帯無線端末の背面図である。本実施形態の携帯無線端末の正面図である。本実施形態の処理フローチャートである。本発明で用いることができるアレーアンテナの他の実施例である。

符号の説明

１電波受信部
２電界強度監視部
３モニター
４電波到来方向推定部
５方位監視部
１０携帯端末の筐体
１１送受信アンテナ
１２アレーアンテナを構成するチップアンテナ
１３操作キー群
１４表示部
１５送話器
１６受話器
１７電界強度表示
１８方角表示
１９電波到来方向表示
２１円アレー
２２方形アレー
２３リニアアレー

Claims

所定の無線通信周波数帯の電波により基地局との間で無線通信を行う指向特性一定の送受信アンテナを備えた携帯無線端末において、
前記携帯無線端末に、前記送受信アンテナとは別に設けられて、前記無線通信周波数の電波の到来方向を探知するために用いられるアレーアンテナと、該アレーアンテナにより受信された前記無線通信周波数の電波からその到来方向を推定する電波到来方向推定手段と、通話中に前記送受信アンテナにより受信された受信レベルから当該端末の現在地点における電界強度を監視し、該電界強度が一定の基準値よりも弱いときのみ、前記電波到来方向推定手段に対して前記電波の到来方向推定動作の実行を指示する電界強度監視手段と、前記電波到来方向推定手段により推定された電波の到来方向を前記携帯無線端末の表示部に表示する手段と、前記電波の到来方向表示後における当該端末の移動を検知する移動検知手段と、前記移動検知手段により当該端末の移動が検知されたときに前記電界強度監視手段による電界強度の監視を再度繰り返す手段を備えたことを特徴とする携帯無線端末。
前記移動検知手段は、前記電波の到来方向表示後にユーザーによる移動確認ボタンの押圧を検出して当該端末の移動を判定する機能を備えていることを特徴とする請求項1に記載の携帯無線端末。
前記移動検知手段は、前記電波の到来方向表示後に前記電界強度が所定レベル変化したことを検出して当該端末の移動を判定する機能を備えていることを特徴とする請求項1に記載の携帯無線端末。
前記電界強度監視手段による前記電界強度の監視の繰り返し回数が一定回数に達したとき、前記通話の中断処理を実行する手段を備えたことを特徴とする請求項1〜３のいずれか１項に記載の携帯無線端末。
前記携帯無線端末に、該端末の向いている方角を検出する方位監視手段と、該方位監視手段により検出された前記携帯無線端末の方角を前記携帯無線端末の表示部に表示する手段を備えたことを特徴とする請求項1〜４のいずれか１項に記載の携帯無線端末。
前記アレーアンテナは、前記携帯端末の背面側に、円形状、方形状または直線状に配列して設けられた複数のチップアンテナからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の携帯無線端末。
前記アレーアンテナは、付属キットとして前記携帯無線端末に取り付け可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の携帯無線端末。