JP3899062B2

JP3899062B2 - アンテナ装置及びその制御方法

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Publication number: JP3899062B2
Application number: JP2003367564A
Authority: JP
Inventors: 一公小宮; 光一常川
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: JP2005136492A

Description

本発明は、伝搬環境に応じて、電波の送信方式を切替えることのできるアンテナ装置及びその制御方法に関する。

第３世代移動通信システムや無線ＬＡＮシステムなどのさらなる大容量化を実現する方法としてアダプティブアンテナ（例えば、非特許文献１参照）およびＭＩＭＯ(Multiple Input Multiple Output)方式（例えば、非特許文献２参照）の技術の検討が盛んに行われている。

アダプティブアンテナとは、図２３に示すように、各アンテナ＃１〜＃Ｋヘの給電振幅／位相(ウエイト１〜ウェイトＫ)を信号処理（アダプティブプロセッサ）２００により適切に制御することでアンテナ放射パターンを成形し、所望の端末に対して最大の信号強度を与え、干渉端末には極力電波を放射しないようにするものである。

一方、ＭＩＭＯ方式とは、送受信信双方にアレイアンテナを用いるシステムであって、多重伝搬環境では、複数のアンテナにおける各アンテナと端末の間の伝送状況が違うことを利用して、各々のアンテナで違う信号を伝送し、多重化を図って伝送容量を増大させようとするものである。このようにＭＩＭＯ方式は、送受信アンテナを複数用意し、伝送容量の増大を実現する方式であるが、その実現方法において大きく２種類に分けられる。一つは、送信ダイバーシチ技術を応用したＳＴＣ型ＭＩＭＯ方式、もう一つは、ＳＤＭ技術を利用したＳＤＭ型ＭＩＭＯ方式である。

図２４は、ＳＴＣ型ＭＩＭＯ方式の概念を示す図である。同図に示すように、ＳＴＣ型ＭＩＭＯ方式の送信側では、異なった送信データが時空間符号化部（ＳＴＣ：Space-Time coding）３１０で符号化されて並列に送られ、複数チャネルによる伝送が行われる（ＳＴＣに関しては、非特許文献４参照）。受信側は、複数チャネルが混在した受信信号を受信し、ＳＴＣ３２０で時空間符号化処理を施して受信信号を復号する。

一方、図２５は、ＳＤＭ（Space Division Multiplexing）型ＭＩＭＯ方式の概念を示す図である。同図に示すように、ＳＤＭ型ＭＩＭＯ方式の送信側では、ある一つの送信データがＳ／Ｐ３５０で直並列変換され、チャネル符号化部３６０_１〜３６０_Ｍにおいて複素重みがかけられて複数の送信系列が生成される。このようにして生成された複数の送信系列は、各アンテナ素子１〜Ｍから同時に送信される（例えば、非特許文献２参照）。受信側は、送信側の各アンテナ素子１〜Ｍから送信された信号を受信し、チャネル復号化部３７０_１〜３７０_Ｎで復号処理を行って各系列に分離する。

上記したアダプティブアンテナ及びＭＩＭＯ方式は、無線通信方式において、高品質、大容量を実現する画期的な技術であるが、両者は別々に提案されたもので、その適用範囲は到来波の状況に応じて異なる。例えば、到来波の角度広がりが大きくなり、フェージングの影響が大きくなって伝送品質が著しく劣化するような場合は、ＭＩＭＯ方式を用いてダイバーシチ送信を行うことでフェ−ジングによる信号の歪補償が可能となる。反対に、到来波の角度広がりが小さいときには、到来波の到来方向を正確に推定することができるので、任意の方向にビームパターンを形成するビーム送信（指向性送信）を行うことで、到来方向の異なる端末への干渉を除去することが可能である。すなわち、アダプティブアンテナとＭＩＭＯ方式とでは、効果を得られる領域が異なっている。

ところで、ブロードバンド無線アクセスを支える新技術として、ソフトウェアの書き換えだけで、周波数や通信方式などの機能変更や追加が可能な無線装置、いわゆるソフトウェア無線機（例えば、非特許文献３参照）の開発が現在進められている。このソフトウェア無線機は、例えば、図２６に示すように、アンテナ＃１〜＃ｎ、受信機（同図省略）で電波を受けて、Ａ／Ｄ（Ａ／Ｄコンバータ）４１０_１〜４１０_ｎで高速のＡ／Ｄ変換を行い、その結果をディジタル回路４２０でソフトウェア処理して信号を取り出し、入出力機器４３０に出力するというものである。すなわち、ソフトウェア無線機は、あらゆる通信方式に対応するべく、ソフト的信号処理で変復調を含めた方式を実現するものである。こうしたソフトウェア無線機においては、アダプティブアンテナとＭＩＭＯ方式の機能をソフトウェアで実現するので、同じ無線機に搭載し、両者を使い分けることができると考えられている。

また、上記のようなアダプティブアンテナを用いた無線基地局装置において、フェージング相関が小さい場合であっても、良好な通信品質で無線通信を行うことができる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、フェージング相関を監視し、その監視結果に応じて、ビーム送信とダイバーシチ送信とを切替えて無線送信処理を行うので、フェージングの相関が小さい場合であっても良好な通信品質で無線通信を行うことができる旨が記載されている。
特開２００２−１６５３４号公報菊間信良，"アレイアンテナによる適応信号処理，"科学技術出版，１９９８村田英一，"無線通信用ＭＩＭＯチャネル伝送技術，"電子情報通信学会誌，Ｖｏｌ．８６，Ｎｏ．３，ｐｐ．２１５−２１７，Ｍａｒｃｈ，２００３鈴木康夫，荒木純道，"ソフトウェア無線機とその国内における開発の現状，"電子情報通信学会論文誌Ｂ，ＶｏＬＪ８４−Ｂ，Ｎｏ．７，ｐｐ．１１２０−１１３１，Ｊｕｌｙ，２００１ Vahid Tarokh, et. A1.,"Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication : Performance Criterion and Code Construction, "IEEE Trans. Information Theory, Vol. 44, No.2, March, 1998

上記のように、アダプティブアンテナとＭＩＭＯ方式は、無線通信システムで用いられる送信端末と受信端末間の電波伝搬状況によって得られる効果の領域が異なる。このため、上記アダプティブアンテナとＭＩＭＯ方式を使い分けるには、電波伝搬状況を把握し、両者のどちらがより適切かを判断する必要がある。

しかしながら、アダプティブアンテナとＭＩＭＯ方式は互いに独立した技術であり、これらを使い分けるために伝搬状況を測定し判断するといった方法は確立されていない。このため、現在のところ、アダプティブアンテナとＭＩＭＯ方式の異なる方式を同じ無線機に搭載、あるいは両方式をソフトウェアの書き換えで対応するソフトウェア無線機で実現することは難しい。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、伝搬環境に応じてアダプティブアンテナとＭＩＭＯ方式を切替えることのできるアンテナ装置及びその制御方法を提供することである。

上記課題を解決するため、複数のアンテナ素子から構成されるアレイアンテナと、該アレイアンテナを制御する制御装置とを備えるアンテナ装置において、前記複数のアンテナ素子に到来する電波の到来波の状況を測定する伝搬環境測定手段と、前記伝搬環境測定手段にて測定した到来波の状況と前記複数のアンテナ素子により形成可能なビーム幅との関係に基づいて、全アンテナ素子で指向性を形成して信号を送信するビーム送信とサブアレイ毎に指向性を形成して異なる信号を送信するダイバーシチ送信の適用領域を判定するための適用領域判定値を算出する適用領域判定値算出手段と、前記算出した適用領域判定値に基づいて、前記ビーム送信又は前記ダイバーシチ送信のいずれかに切替える送信方式切替手段と、を備えることを特徴としている。

また、本発明の請求項２によれば、前記アンテナ装置において、前記適用領域判定値算出手段は、
Ｔ＝ＡＳ／ＢＷ
Ｔ：適用領域判定値
ＡＳ：到来波の角度広がり〔°〕
ＢＷ：ビーム幅〔°〕
に従って、前記適用領域判定値を算出することを特徴としている。

また、本発明の請求項３によれば、前記アンテナ装置において、前記適用領域判定値算出手段により算出される適用領域判定値と、受信電力と、アンテナ間の相関とを関連付けるテーブルを有し、前記送信方式切替手段は、受信した信号に基づいて前記適用領域判定値算出手段により算出される適用領域判定値に対応する値を前記テーブルから求め、その求めた値に基づいて、前記ビーム送信又は前記ダイバーシチ送信の適用領域を判定する適用領域判定手段を備えることを特徴としている。

また、本発明の請求項４によれば、前記アンテナ装置において、前記送信方式切替手段は、前記テーブルから求めた値が第１の所定値未満であるときは、前記ビーム送信に切替え、前記求めた値が該第１の所定値以上であるときは、前記ダイバーシチ送信に切替える判定をすることを特徴としている。

また、本発明の請求項５によれば、前記アンテナ装置において、前記送信方式切替手段によりダイバーシチ送信が選択された場合に、前記複数のアンテナ素子を任意の組のサブアレイで分割して、各サブアレイにおいてビームを形成するサブアレイビーム形成手段を備えることを特徴としている。

また、本発明の請求項６によれば、前記アンテナ装置において、前記送信方式切替手段は、前記テーブルから求めた値が第２の所定値以上の所定範囲内であるときは、前記複数のアンテナ素子をＭ組（Ｍは２以上の整数）のサブアレイに分け、Ｍブランチ等利得又はＭブランチ不等利得のダイバーシチ送信に切替える判定をすることを特徴としている。

また、本発明の請求項７によれば、前記アンテナ装置において、前記送信方式切替手段によりダイバーシチ送信が選択された場合に、既知信号を受信端末に送信する既知信号送信手段と、前記既知信号に基づいて受信端末より送信されるフィードバック情報を受信するフィードバック情報受信手段と、前記フィードバック情報を基に、サブアレイから送信する送信信号に位相差をつけて送信する位相制御送信手段と、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、到来波の状況と、アンテナのビーム幅との関係を求めることで、適切にビーム送信とダイバーシチ送信の適用判断を行うことが可能になる。その結果、伝搬環境に応じたビーム送信とダイバーシチ送信の切替えが実現でき、あらゆる伝搬環境において常に最大の伝送品質、容量を得ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図である。

同図において、このアンテナ装置１は、複数のアンテナ素子＃１〜＃ｎからなるアレイアンテナと、該アレイアンテナを制御する制御装置１０とから構成される。本実施形態に係るアンテナ装置１は、例えば、移動通信システムの無線基地局に具備される装置であって、端末（例：移動局）から送信された信号をアレイアンテナで受信し、受信信号とアンテナの静的放射パターン特性とを用いて伝搬環境を判断する。そして、その判断結果をもとに、全アンテナ素子で指向性を形成して信号を送信するビーム送信か、サブアレイ毎に指向性を形成して異なる信号を送信するダイバーシチ送信かを切替え、切替えられた送信方式を用いて信号を端末に無線送信する。

上記制御装置１０は、到来波の状況を推定するためのＤＯＡ（DOA：Direction Of Arrival）アルゴリズムを実装する到来波推定部１１と、ビーム送信アルゴリズムをソフトウェアで実装するビーム送信処理部１２と、ダイバーシチ送信アルゴリズムをソフトウェアで実装するダイバーシチ送信処理部１３と、ビーム送信又はダイバーシチ送信の切替制御を行うビーム送信／ダイバーシチ送信切替制御部１４と、ビーム送信とダイバーシチ送信の切替えの際に参照される適用領域表（テーブル）を記憶する適用領域表記憶部１５と、から構成される。

本実施形態では、ビーム送信／ダイバーシチ送信切替制御部１４は、到来波推定部１１で推定された到来波状況の推定結果と、適用領域表記憶部１５に記憶されている適用領域表を利用して、送信に最適な送信方式（ビーム送信又はダイバーシチ送信）を判断し切替える。以下、詳細に説明する。

図２は、適用領域表記憶部１５で記憶されるビーム送信とダイバーシチ送信の適用領域を判断するために用いる適用領域表である。この適用領域表は、到来電波の広がりを示すアングルスプレッド（ＡＳ）とアンテナビーム幅（ＢＷ）との関係に基づき作成されるが、作成方法の詳細について説明する前に、まず、図３を用いてビーム送信とダイバーシチ送信の動作概要を説明する。

図３（ａ）は、ビーム送信を説明するための図で、図３（ｂ）は、ダイバーシチ送信を説明するための図である。

ビーム送信は、同図（ａ）に示すように、アレイアンテナの全アンテナ（アンテナ素子＃１〜＃１６）を用いて鋭いビームを形成し、その方向を最も強い電波が飛んでくる方向（見通しでは端末１００方向）に向けるものである。ビーム送信の場合、アレイアンテナに接続される送信機ＴＸａ２０からは同じ信号が送信される。

一方、ダイバーシチ送信は、同図（ｂ）に示されるように、アレイアンテナのアンテナ素子＃１〜＃１６を真ん中から半分に分け（＃１〜＃８、＃９〜＃１６）、左右の各サブアレイに違う信号を伝送して、端末１００側で合成するものである。すなわち、アンテナ素子＃１〜＃８に接続される送信機ＴＸａ２０、アンテナ素子＃９〜＃１６に接続される送信機ＴＸｂ３０からは違う信号が送信される。本例の場合、ある時刻ｔ１において、送信機ＴＸａ２０から信号系列ａが、送信機Ｔｘｂ３０から信号系列ｂが送信される。同様にして、次の時刻ｔ２には、送信機ＴＸａ２０から信号系列ａが、送信機Ｔｘｂ３０から信号系列ｂの位相を反転させた−ｂの信号系列が送信される場合を例示している。

なお、上述したビーム送信は、任意の方向に適応的に指向性を形成して信号を送信することからアダプティブアンテナに分類され、また、ダイバーシチ送信はそれぞれの送信アンテナ（＃１〜＃８、＃９〜＃１６）から別々の情報を送信することからＭＩＭＯ方式に分類される。なお、ＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）方式とは、一般的に同一周波数・同一タイムスロットの複数の空間パスを介して多重通信する方式のことをいう。

次に、図２に戻り、ビーム送信とダイバーシチ送信の適用領域を判定するための適用領域表について説明する。同図において、この適用領域表の横軸Ｔは、適用領域を判定するために用いる判定値を表し、縦軸は、相関係数（０〜１）と端末への到達電力（＝受信電力劣化量〔ｄＢ〕）を表している。なお、相関波とは、参照信号との相関係数が１に近い波のことを言い、無相関波とは、参照信号との相関係数が０に近い波のことを言う。

本実施形態において、上記Ｔは、下記式にて定義される。

Ｔ＝ＡＳ／ＢＷ・・・（１）
＝（ＳＷ−ＢＷ）／ＢＷ
ここで、
Ｔは、適用領域判定値であり、
ＡＳは、到来波の角度広がり〔°〕であり、
ＢＷは、アンテナのビーム幅〔°〕である。
上記ＡＳは、本来到来してくる電波の広がりを表す値であるが、この値は、図４（ａ）に示すように、アレイアンテナのアンテナビーム（ＢＰ：Beam Pattern）を全方向にわたって回転させ、アレイの出力電力が大きくなる方向を探すことで、おおよそ推定することができる。このようにして到来波の状況を推定する方法はビームフォーマ法（ＢＦ）と呼ばれている。本実施形態では、一例として、到来波の状況推定にビームフォーマ法を用いる場合を例示するが、本発明はビームフォーマ法に限定されるものではなく、他の方法、例えば、Ｃａｐｏｎ法や最大エントロピー法などの線形予測法（LP：Linear Prediction）、さらに、アレイ入力の相関行列の固有展開に基づく最小ノルム法（Min-Norm）、ＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classication）、ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）等を用いてもよい。

図４の（ｂ）は、上記のようにしてビームをスキャンニングして得られた角度と受信レベルの関数を表すＢＦスペクトラム（Ｐｔ（θ））である。このＰｔ（θ）は、おおよそアンテナビーム（ＢＰ）のビーム幅（ＢＷ）の精度で到来波分布を表していると考えられる。到来波がある広がりをもって到来してくるとき、そのＡＳは図４（ｂ）に示すように、測定したＰｔ（θ）の広がりＳＷがＡＳ＋ＢＷとなる。すなわち、Ｐｔ（θ）を測定することでＡＳが推定でき、ＡＳの値はＳＷ−ＢＷとなる。

本実施形態では、上記式（１）を用い、ＢＦスペクトラムより推定されるＡＳと、アンテナビーム（ＢＰ）のビーム幅（ＢＷ）から適用領域の判定に用いるための判定値Ｔが算出される。このようにして算出されたＴと、端末に到達する到達電力と、アレイアンテナの相関係数は関連付けられ適用領域表として作成される。

このようにして作成される適用領域表では、ＡＳ、ＢＷとビーム送信、ダイバーシチ送信の適切な適用領域が示される。本例では、領域（ａ）がビーム送信の適用領域として、領域（ｂ）がダイバーシチ送信の適用領域として設定される場合を示している。

次に、ビーム送信とダイバーシチ送信の適用領域決定方法を説明する。

上述の如く、ＡＳは、ＳＷ−ＢＷで表されることから、上記式（１）に示すように、Ｔ＝（ＳＷ−ＢＷ）／ＢＷとすると、ビーム送信とダイバーシチ送信の適用領域は、以下のように決定することができる。

１．Ｔがほぼ１．５より小さいときはビーム送信、Ｔがほぼ１．５より大きいときはダイバーシチ送信が適当である。

そこで、このようなことを証明するために、本実施形態においては、シミュレーションおよび屋外実験を行い、ビーム送信とダイバーシチ送信の適用領域を決定した。以下に、そのシミュレーション及び屋外実験の結果について説明する。

まず、シミュレーション条件は、図５（ｂ）に示すように、到来波、アンテナビームともに方形で近似し、その幅を各々ＡＳ、ＢＷとした。到来波は５０波の集合と考え、ＡＳ内均一に５０の平面波を配置し、その振幅は全て同じ、位相はランダムとした。また、到来波の電力はＡＳに関らず一定とした。シミュレーションでは、この試行を１０００回繰り返し、各受信電力を記録して、その平均電力と相関係数を求めた。なお、図５（ａ）は、上記のシミュレーション条件を図示したアンテナパターンであり、ＡＳ、ＢＷに加え、アンテナ受信電力の合計（Ａ）、到来波電力の合計（Ｔ）、取得電力（Ｓ）を図示している。

また、図６は、屋外実験の条件を示す図である。同図（ａ）は、見通し、（ｂ）は見通し外の状況において、１本の送信アンテナ（ＴＸ）から無線信号を送信し、１６チャネルのベクトル受信機を用いて横１６素子のアレイアンテナで受信した。
屋外実験では、送受信間距離、角度を変えて受信特性を数回測定し、測定データから受信電力を算出した。なお、見通しの状況においては、送受信間距離を２０ｍ、３０ｍ、角度Ｘ〔ｄｅｇ〕を０°、５°、１０°、１５°、２０°、測定回数を各３回とした。また、見通し外の状況においては、送受信間距離は３０ｍのみ、角度Ｘ〔ｄｅｇ〕を０°、５°、１０°、１５°、２０°、測定回数を各５回とした。

次に、シミュレーション結果と屋外実験結果について説明する。

図７は、アンテナ素子（ポート）数と到達電力との関係を示すシミュレーション結果及び屋外実験結果を示す図である。同図において、横軸は電波を受信するアンテナ素子数、縦軸は見通しで最大電力が得られた値からの相対電力である。また、同図中、「Ｓｉｍ」はシミュレーション結果を、「Ｅｘｐ」は屋外実験結果を表している。

同図に示すように、屋外実験の結果とシミュレーション結果が合っていることがわかる。明らかに、見通しでは受信するアンテナ素子数を増やしていくと受信電力が上昇し、アンテナ素子数Nの比（Ｎ／１６）、すなわち指向性利得の上昇に比例しているのがわかる。一方、見通し外では、ある値以上はアンテナ素子数を増やしても電力が上昇しないことがわかる。この場合はＡＳ＝１０度で、約８素子より増やしても、アンテナ指向性利得に比例した電力の上昇は得られない。

図８は、電力が上昇しない状況におけるＢＦスペクトラムＰｔ（θ）とビームパターンＢＰを示す図である。同図において、両図とも、横軸は角度〔ｄｅｇ〕、縦軸は振幅〔ｄＢｍＶ〕を表している。

図８において、（ａ）に示すＢＦスペクトラムＰｔ（θ）は到来波の様子を示すと考えられ、同図より、明らかに到来波が、ビームより広がっているのがわかる。よって、そこに鋭いビームを向けても受信電力は上昇しない。

このことを具体的なアンテナについてまとめると、図９及び図１０となる。図９は１６素子、６０度ビームパターンの素子アンテナを０．７波長間隔で直線状に並べた場合、図１０は、１２０度ビームパターンの素子アンテナを間隔０．５波長とした場合である。図９及び図１０とも、１６素子全てを用いてビームを形成した場合と、真ん中から半分の８素子サブアレイとした場合のＡＳと受信電力、相関係数を示すシミュレーションの結果を示している。

図９、図１０とも、ＡＳが広くなるにつれ、１６素子送信と８素子送信で電力の差が小さくなっていくことがわかる。これは図７と同様に素子数を増やしても受信電力は頭打ちになることを示している。

一方、アレイを真ん中から２つに分けた場合の、各サブアレイ間の相関係数はＡＳが広くなるにつれて急激に低下する。すなわち、もしＡＳが１０度の場合、相関係数が０．２以下と非常に低いので、ダイバーシチ送信を行って、３dB受信電力を増加させることができれば(図中黒四角印)、１６素子全てを用いて送信を行う場合より高い電力を伝送することができる。この傾向は、図９、図１０とも同様である。

そこで、一般的な性質を明らかにするために、アンテナ素子数を４、８、１６、３２と変化させ、各々の場合について、フルアレイと半分のサブアレイのＡＳと電力、相関係数の関係をシミュレーションにより調べ、図１１、１２に示した。各図には各々のＢＷも示してある。これらのシミュレーション結果から以下が言える。

図１１より、受信電力は、
ＢＷ＞ＡＳ：ほぼ一定（平面波到来時に近い値−２ｄＢ以内）
ＢＷ＜ＡＳ：ＡＳの大きさに比例して低下
図１２より、相関係数は、
ＢＷ＞ＡＳ：０．７５以上
ＢＷ＜ＡＳ＜２ＢＷ：０．３〜０．９（ＡＳに反比例して減少）
２ＢＷ＜ＡＳ：０．３3以下
これらの結果は、アンテナのＢＷと到来波のＡＳの関係で受信電力と相関係数が決まることを示している。そこで、この関係を整理し、適用領域表に反映したものが、図１３（図１）である。同図において、ＡＳは、既に説明したように、ＳＷ−ＢＷで表すことができる。

以上をまとめると実際のアンテナにおいては、以下が言える。

「送信アンテナとしてN素子からなるアレイアンテナが動作して、端末に情報を伝送する無線通信方式がある。任意のアンテナウエイトＷｉを乗算して放射パターンＢＰを形成し、ＢＰを周方向に回転させて得られた受信電力と角度の関数をスペクトラムＰｔ（θ）(θは角度)とする。Ｐｔ（θ）の最大値方向角度θｍにビームピークを向けた時の放射パターンＢＰｍ、およびスペクトラムＰｔ（θ）の各最大値から３dB低下した２点の角度幅をＢＷ、およびＳＷとして、上記式（１）を定義する。

上記式(1)において、
１．Ｔがほぼ１．５未満のときは、アンテナ素子Nの全ての各ウエイトＷｉを、放射パターンが角度θｍにおいて最大利得となるように制御し、ビームパターンを形成して通信を行う。
２．Ｔがほぼ１．５以上のときは、アンテナ素子をほぼ同数（Ｎ／２）の２組のサブアレイに分けて、各サブアレイのウエイトＷｉ１、Ｗｉ２をそれぞれの放射パターンが角度θｍにおいて最大利得となるように制御し、各サブアレイでダイバーシチ送信を行って通信を行う」
すなわち、上記した１、２の条件を調べることで、アダプティブアンテナとして動作するビーム送信とＭＩＭＯ方式として動作するダイバーシチ送信の使い分けが可能となる。なお、本実施形態では、適応領域の境界を示すほぼ１．５のＴの値を第１の所定値としている。

上記整理した結果は、適用領域表として作成され、適用領域表記憶部１５で保持される。制御装置１０は、通信相手となる端末に信号を無線送信する際、上記適用領域表を参照して、ビーム送信又はダイバーシチ送信のいずれか判断し切替える。図１４は、この制御装置１０でなされるビーム送信とダイバーシチ送信の切替え制御の処理手順を示すフローチャートである。

同図において、ステップＳ１では、到来波推定部１１においてＡＳが推定される。この推定結果は、ビーム送信／ダイバーシチ送信切替制御部１４に送られる。ステップＳ２では、ビーム送信／ダイバーシチ送信切替制御部１４は、到来波推定部１１より受けとったＡＳの推定結果と、ＢＷとから適用領域判定値Ｔを算出する。その後、ビーム送信／ダイバーシチ送信切替制御部１４は、適用領域表記憶１５部に記憶されている適用記憶表を参照し、上記算出したＴが、ほぼ１．５未満であるか、ほぼ１．５以上であるかを判定（ステップＳ３）し、Ｔが、ほぼ１．５未満と判定された場合には、ビーム送信を行う指示信号を生成してビーム送信処理部１２に出力する。ビーム送信処理部１２では、ビームパターンを形成して通信を行う処理（ステップＳ４）が行われる。

一方、上記判定（ステップＳ３）で、ほぼ１．５以上と判定された場合には、ダイバーシチ送信を行う指示信号を生成してダイバーシチ送信処理部１３に出力する。ダイバーシチ送信処理部１３では、各サブアレイでダイバーシチ送信を行って通信を行う処理（ステップＳ５）がなされる。

このように、本実施形態によれば、到来波の状況とアンテナのビーム幅との関からビーム送信とダイバーシチ送信の適用判断を行うことための適用領域判定値を算出し、その算出した適用領域判定値に基づいて、ビーム送信とダイバーシチ送信の適用判断を行うようにしたので、適切にビーム送信とダイバーシチ送信の切替えを実現できる。
また、シミュレーション及び屋外実験の結果に基づき、上記適用判断の際に用いる適用領域表を作成し管理するようにしたので、実伝搬環境に近い形でのビーム送信とダイバーシチ送信の切替えを実現することができ、あらゆる伝搬環境において常に最大の伝送品質、容量を得ることができる。

さらに、ビーム送信とダイバーシチ送信の切替えを、ビーム送信処理部１２に実装される機能とダイバーシチ送信処理部１３に実装される機能の切替えにより行う構成としたので、伝搬環境に応じたアダプティブアンテナとＭＩＭＯ方式の切替えをソフトウェア無線機で実現することが可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、ビーム送信とダイバーシチ送信の使い分けとして、フルアレイ１つと半分のサブアレイ２つの２通りのみを例示したが、本実施形態に係るアンテナ装置１は、ダイバーシチ送信（ＭＩＭＯ方式）の場合において、任意の２つの組によりダイバーシチ送信を行う。例えば、図１５に示すように、到達電力を最大にするに足りるアンテナ素子数ｎ（本例では、アンテナ素子＃１〜＃ｎ）で送信し、残りの素子（本例では、アンテナ素子＃ｎ＋１〜＃１６）は、本体素子（＃ｎ）との相関が低いので、ダイバーシチ（不等利得）として使用する。

本実施形態では、このことを証明するために図１６〜図２０に示すシミュレーションを行った。図１６〜図２０は、１６素子アレイの場合の、任意のｎ：１６−ｎ素子サブアレイにおけるＡＳと電力、相関の関係を示すシミュレーション結果を示す図である。

図１６〜図２０において、横軸はサブエレメント数（ｎ）、縦軸の左側はアンテナ組ＴＸａ２０、ＴＸｂ３０間の相関係数（電圧）、右側は受信電力劣化量（ｄＢ）を表している。また、図１６はＡＳ＝１度のとき、図１７はＡＳ＝３度のとき、図１８はＡＳ＝６度のとき、図１９はＡＳ＝１０度のとき、図２０はＡＳ＝２０度のときのシミュレーション結果である。

図１６〜図２０のシミュレーション結果が示すように、ＡＳにより相関係数は変化し、一方サブアレイ数ｎにより、各受信電力とサブアレイ間の受信電力比に差が見える。ダイバーシチ送信（ＭＩＭＯ方式）により、どのような場合にどんなサブアレイ構成が適切であるかは、これらのシミュレーション結果から判断が可能である。すなわち、この場合にも図２１に示すような適用領域を示すことができる。例えば、Ｔが１．２（Ｔ＝Ｃ２１）以下ではビーム送信を行い、１．３＜T＜１．７（Ｔ＝Ｃ２２）では、本例で説明した不等利得ダイバーシチ（本例では、２サブアレイ不等利得ダイバーシチ）を行い、Ｔが１．７以上では等利得ダイバーシチ（本例では、２サブアレイ等利得ダイバーシチ）を行うという考え方である。特に、不等利得ダイバーシチでは、その場合の適切なサブアレイの素子数ｎも規定できる。

既に説明したように、どの点でビーム送信、等利得／不等利得ダイバーシチを切替えるかは方式によるため、明確に各領域をここで確定することはできないが、このような適用領域表を作成しておき、その方式での最適な領域を明らかにして各領域の境界であるＣ２１、Ｃ２２を特定しておけば、第１の実施形態と同様の原理で、容易にビーム送信とダイバーシチ送信（ＭＩＭＯ通信（等利得／不等利得ブランチ形）の使い分けが可能となる。つまりＡＳの変化に対応して、ビーム送信とダイバーシチ送信（ＭＩＭＯ通信（等利得／不等利得）の適用判断をきめ細かく行うことが可能になり、これらを適切に使い分けることで、あらゆる伝搬環境において常に最大の伝送品質、容量を得ることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第１の実施形態及び第２の実施形態では、フルアレイを２つに分けてダイバーシ伝送する場合を例示したが、
本実施形態では、フルアレイを４つに分割して４ブランチダイバーシチとする。

本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様の検討を行って、電力、相関係数をシミュレーション等により明らかにし、Ｔによって適用領域を分けることができる。さらに、この場合も第２の実施形態と同様の検討を行って、同じくＴと４つサブアレイの構成素子数の組について、電力と相関の関係をシミュレーション等により明らかにすれば、Ｔと等利得／不等利得４ブランチダイバーシチの適用領域が明確になる。

従って、図２１に示すように、さらに、Ｃ４１、Ｃ４２を明確にすれば、全アレイビーム送信から２、４ブランチの等利得／不等利得ダイバーシチ送信までの適用領域を明確にすることができる。つまり非常に広いＡＳの場合まで含めて、ビーム送信とダイバーシチ送信（ＭＩＭＯ方式：２、４ブランチの等利得／不等利得）の適用判断を行うことが可能になる。従って、これらを適切に使い分けることで、あらゆる伝搬環境において常に最大の伝送品質、容量を得ることが可能となる。

なお、本実施形態では、図２１において、Ｔ＝Ｃ２１の値が第２の所定値を表している。また、Ｃ２１〜Ｃ２２までの範囲、Ｃ２２〜Ｃ４１までの範囲、Ｃ４１〜Ｃ４２までの範囲、Ｃ４２からある上限値までの範囲、これらの範囲が請求項６記載の所定範囲に対応する。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図２２は、ダイバーシチ送信の方法として、端末１００から位相情報のみをフィードバックする場合を示す実施形態である。ＭＩＭＯ方式では、異なった信号を各ブランチ（ＴＸａ２０、ＴＸｂ３０）で伝送し、通信品質を改善するＳＴＣを用いるのが一般的である。しかし、本実施形態では、ＴＸａ２０、ＴＸｂ３０より予め既知の信号を端末１００に伝送し、その位相差を端末１００にフィードバックする。これにより、端末１００では受信信号の電界ベクトルを同相合成でき、正に受信電力を増加させることができる。

具体的には、ＴＸａ２０、ＴＸｂ３０は、信号系列の最初に既知信号(レプリカ)ＸＹを挿入して伝送し、その後、送信される情報に端末１００からフィードバックされたＸＹの位相差の情報を付加して送信する。端末１００は、受信したＸＹの各信号から両者の伝搬路の位相差αを計算し、送信側にフィードバッする。ここで、フィードバックする情報は位相のみでよい。なぜなら、２つのサブアレイは元々１つのフルアレイを真ん中から半分にしたものであるため、非常に近接している。このため、伝送路としての振幅は比較的変化が少ないと考えられるからである。もちろんαを複素数として位相、振幅の情報すなわち複素信号差をフィードバックすればさらに効果は高くなる。

なお、本実施形態は、上述した第１の実施形態〜第３の実施形態への適用が可能であり、その場合、電力を向上できる点が違うだけで第１の実施形態〜第３の実施形態で述べた効果と同様の効果が得られる。

（変形例）
以上本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまでも例示であり、上記実施形態に対しては、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で様々な変形を加えることができる。例えば以下のような変形例が考えられる。

（１）上記実施形態では、ビーム送信処理部１２とダイバーシチ送信処理部１３を独立して設ける場合を例示したが、１つの送信処理部にビーム送信処理機能と、ダイバーシチ送信処理機能を実装するような態様であってもよい。なお、ビーム送信処理機能と、ダイバーシチ送信処理機能は、無線又は有線によるソフトウェアの遠隔ダウンロードにより、適宜アップグレード等が可能である。

（２）上記実施形態では、Ｎ素子のアレイアンテナを等比で２分割したサブアレイ、又はＮ素子のアレイアンテナの比率を変えて２分割したサブアレイを例示したが、等間隔で重なりあってサブアレイを配置することも考えられる。この場合、素子間が無相関とみなせることが条件となる。

（３）また、上記各実施形態では、好適な例として、制御装置１０を基地局に適用する場合を例示したが、端末に適用した場合でも、良好な送信特性を実現することができる。

本実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図である。ビーム送信とダイバーシチ送信の適用領域を判断するために用いる適用領域表である。ビーム送信とダイバーシチ送信の動作概要を説明するための図である。ビームフォーマ法（ＢＦ）と、ＢＦスペクトラムを説明するための図である。シミュレーション条件を説明するための図である。屋外実験の条件を示す図である。アンテナ素子（ポート）数と到達電力との関係を示すシミュレーション結果及び屋外実験結果を示す図である。電力が上昇しない状況におけるＢＦスペクトラムＰｔ（θ）とビームパターンＢＰを示す図である。１６素子アレイにおける８素子×２組分割送信時の到達電力と相関係数との関係を示すシミュレーション結果（０．７波長間隔、６０度ビーム）を示す図である。１６素子アレイにおける８素子×２組分割送信時の到達電力と相関係数との関係を示すシミュレーション結果（０．５波長間隔、１２０度ビーム）を示す図である。アレイ素子数によるアングルスプレッドと到達電力との関係を示すシミュレーション結果である。アレイ素子数によるアングルスプレッドと相関係数との関係を示すシミュレーション結果である。アンテナビーム幅、到来波アングルスプレッドと到達電力、相関係数の関係を示し、ビーム送信とダイバーシチ送信の適用領域を判断するために用いる適用領域表である。制御装置でなされるビーム送信とダイバーシチ送信の切替え制御の処理手順を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態における不等利得ダイバーシチ送信の動作概要を説明するための図である。１６素子アレイにおけるｎ、１６−ｎ素子の２組分割送信時の到達電力と相関係数の関係を示すシミュレーション結果（ＡＳ＝１度）である。１６素子アレイにおけるｎ、１６−ｎ素子の２組分割送信時の到達電力と相関係数の関係を示すシミュレーション結果（ＡＳ＝３度）である。１６素子アレイにおけるｎ、１６−ｎ素子の２組分割送信時の到達電力と相関係数の関係を示すシミュレーション結果（ＡＳ＝６度）である。１６素子アレイにおけるｎ、１６−ｎ素子の２組分割送信時の到達電力と相関係数の関係を示すシミュレーション結果（ＡＳ＝１０度）である。１６素子アレイにおけるｎ、１６−ｎ素子の２組分割送信時の到達電力と相関係数の関係を示すシミュレーション結果（ＡＳ＝２０度）である。本発明の第３の実施形態におけるビーム送信と等／不等利得ダイバーシチ送信の適用領域を判断するために用いる適用領域表である。本発明の第４の実施形態におけるダイバーシチ送信の方法として、受信端末から位相情報のみをフィードバックする場合を説明するための図である。アダプティブアンテナの構成例を示す図である。ＳＴＣ型ＭＩＭＯ方式の概念を示す図である。ＳＤＭ型ＭＩＭＯ方式の概念を示す図である。ソフトウェア無線機の構成例を示す図である。

符号の説明

１アンテナ装置
１０制御装置
１１到来波推定部
１２ビーム送信処理部
１３ダイバーシチ送信処理部
１４ビーム送信／ダイバーシチ送信切替制御部
１５適用領域表記憶部
１００端末（移動局）
２００アダプティブプロセッサ
２１０加算器
３１０、３２０ＳＴＣ（時空間符号化部）
３５０Ｓ／Ｐ（直並列変換部）
３６０_１〜３６０_Ｍチャネル符号化部
３７０_１〜３７０_Ｎチャネル復号化部
３８０Ｐ／Ｓ（並直列変換部）
４１０_１〜４１０_ｎＡ／Ｄ（Ａ／Ｄコンバータ）
４２０ディジタル回路
４３０入出力機器
＃１〜＃ｎ，＃１〜＃Ｋ，＃１〜＃Ｍ，＃１〜＃Ｎアンテナ素子

Claims

複数のアンテナ素子から構成されるアレイアンテナと、該アレイアンテナを制御する制御装置とを備えるアンテナ装置において、
前記複数のアンテナ素子に到来する電波の到来波の角度広がりを測定する伝搬環境測定手段と、
Ｔ＝ＡＳ／ＢＷ
Ｔ：全アンテナ素子で指向性を形成して信号を送信するビーム送信とサブアレイ毎に指向性を形成して異なる信号を送信するダイバーシチ送信との適用領域を判定するための適用領域判定値
ＡＳ：前記伝搬環境測定手段にて測定した到来波の角度広がり〔°〕
ＢＷ：前記複数のアンテナ素子により形成可能なビーム幅〔°〕
に従って適用領域判定値を算出する適用領域判定値算出手段と、
前記算出した適用領域判定値がビーム送信とダイバーシチ送信との適用領域を判断するための第１の所定値未満である場合は、ビーム送信に切替え、
前記算出した適用領域判定値が前記第１の所定値以上である場合且つＭブランチ不等利得ダイバーシチ送信とＭブランチ等利得ダイバーシチ送信（Ｍは２以上の整数）との適用領域を判断するための第２の所定値未満である場合は、前記複数のアンテナ素子をＭ組のサブアレイに分けてＭブランチ不等利得ダイバーシチ送信に切替え、
前記算出した適用領域判定値が前記第２の所定値以上である場合は、前記複数のアンテナ素子をＭ組のサブアレイに分けてＭブランチ等利得ダイバーシチ送信に切替える送信方式切替手段と、
を備えることを特徴とするアンテナ装置。
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記適用領域判定値算出手段により算出される適用領域判定値と、受信電力と、アンテナ間の相関とを関連付けるテーブルを有し、
前記送信方式切替手段は、受信した信号に基づいて前記適用領域判定値算出手段により算出される適用領域判定値に対応する値を前記テーブルから求め、その求めた値に基づいて、前記ビーム送信、前記Ｍブランチ不等利得ダイバーシチ送信又は前記Ｍブランチ等利得ダイバーシチ送信の適用領域を判定する適用領域判定手段を備えることを特徴とするアンテナ装置。
請求項１又は２に記載のアンテナ装置において、
前記第１の所定値と前記第２の所定値との関係は、
１＜第１の所定値＜第２の所定値＜Ｍ
であることを特徴とするアンテナ装置。
請求項１乃至３いずれかに記載のアンテナ装置において、
前記送信方式切替手段により前記Ｍブランチ不等利得ダイバーシチ送信又は前記Ｍブランチ等利得ダイバーシチ送信が選択された場合に、既知信号を受信端末に送信する既知信号送信手段と、
前記既知信号に基づいて受信端末より送信されるフィードバック情報を受信するフィードバック情報受信手段と、
前記フィードバック情報を基に、サブアレイから送信する送信信号に位相差をつけて送信する位相制御送信手段と、
を備えることを特徴とするアンテナ装置。
複数のアンテナ素子から構成されるアンテナ装置の制御方法において、
前記複数のアンテナ素子に到来する電波の到来波の角度広がりを測定し、
Ｔ＝ＡＳ／ＢＷ
Ｔ：全アンテナ素子で指向性を形成して信号を送信するビーム送信とサブアレイ毎に指向性を形成して異なる信号を送信するダイバーシチ送信との適用領域を判定するための適用領域判定値
ＡＳ：前記伝搬環境測定手段にて測定した到来波の角度広がり〔°〕
ＢＷ：前記複数のアンテナ素子により形成可能なビーム幅〔°〕
に従って適用領域判定値を算出し、
前記算出した適用領域判定値がビーム送信とダイバーシチ送信との適用領域を判断するための第１の所定値未満である場合は、ビーム送信に切替え、
前記算出した適用領域判定値が前記第１の所定値以上である場合且つＭブランチ不等利得ダイバーシチ送信とＭブランチ等利得ダイバーシチ送信（Ｍは２以上の整数）との適用領域を判断するための第２の所定値未満である場合は、前記複数のアンテナ素子をＭ組のサブアレイに分けてＭブランチ不等利得ダイバーシチ送信に切替え、
前記算出した適用領域判定値が前記第２の所定値以上である場合は、前記複数のアンテナ素子をＭ組のサブアレイに分けてＭブランチ等利得ダイバーシチ送信に切替えることを特徴とするアンテナ装置の制御方法。