JP3985883B2 - 電波到来方向推定アンテナ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として、携帯電話、ＰＨＳやページャ等の移動通信システムの基地局に用いるアンテナの放射指向性の制御を行う電波到来方向推定アンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信分野では、各基地局に割り当てられたエリアに複数の移動局を収容する方式として時分割多重（ＴＤＭＡ）、周波数分割多重（ＦＤＭＡ）、符号分割多重（ＣＤＭＡ）などが実用化されている。また、基地局のサービスエリアは予め決められた大きさに固定されそのエリア内に存在する移動局のみと通信しており、また基地局とその基地局のサービスエリア内に存在する移動局の使用する周波数も隣接する基地局や移動局同士で干渉しあわないように予め決められている。このため、１つの基地局のエリアに収容可能な移動局の数は、時分割多重方式の場合は移動局に割り当てられる通信スロットの総数に制限され、周波数分割多重方式の場合には周波数チャネルの総数に制限され、符号分割多重の場合にはデータ伝送レートとスペクトル拡散チップレートの比により決定される妨害除去の能力によってエリア内に収容できる移動局が制限されてしまう。
【０００３】
一方、こうした移動局の収容数の上限を増大させるための方法として「ダイナミックゾーン構成」が提案されている（例えば、吉本他「インテリジェント電波有効利用技術」、ＣＲＬ周波数資源プロジェクト研究発表会予稿、９６年１０ 月）。これは各基地局の周辺に存在する移動局の数、方向に応じて基地局のアンテナ指向性パターンを変化させ移動局の数が多い方向にエリアの形状を変化させるものである。これにより、エリアの形状が固定されている場合、基地局の存在する地域により発生する通話トラフィックのアンバランスを解消でき、収容できる端末数の総和を増大することができる。また狭ビーム化することにより、他の移動局や基地局への干渉を軽減し、通話可能距離も増大させることが可能であるこの技術を実現するためには、予め移動局からの電波の到来方向を推定することにより移動局の位置と数を推定し、その方向にアンテナ指向性パターンのピーク方向またはヌル方向を向ける必要がある。従来こうした技術の実現例では、例えば「広帯域円形配列アダプティブアレイの試作と評価実験」（電子情報通信学会、信学技報ＡＰ９７−７６、１９９７−０７、ｐｐ．３９〜４４）に示されるように電波の到来方向推定処理部、デジタルビーム形成部等から構成され、電波の到来方向推定技術としてＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術を用いた場合、電波の到来方向推定技術として用いられるＭＵＳＩＣ法やＥＳＰＲＩＴ法では、推定を行うまでに多くのデータをサンプルする必要があり、また推定を行うための処理として共分散行列、固有値、固有ベクトル等の計算量が多大である。
【０００５】
また、多くの要素を持つ１つの行列演算を行うことから、通常処理の高速化に用いられる演算処理の並列化が困難である。このため、移動局が基地局の近傍を高速で通過する場合が想定される場合には適用不可となるという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するものであり、基地局の近傍を高速に移動する移動体に対しても、到来方向推定およびアンテナ指向性パターンの制御の実時間処理を可能とする電波到来方向推定アンテナ装置を実現することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明は、電波到来方向推定アンテナ装置に、基地局に移動局からの送信電波を受信する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アンテナ素子での受信ＲＦ周波数信号をそれぞれ中間周波数信号に周波数変換する周波数変換手段と、前記中間周波数信号をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換手段と、前記アナログデジタル変換手段のデジタルデータをさらに低い周波数でサンプリングするダウンサンプリング手段と、前記アナログデジタル変換手段の変換したデジタルデータを用いて電波の到来方向を推定する到来方向推定手段と、前記到来方向推定手段の推定結果を初期値として用い前記ダウンサンプリング手段によってより低い周期でサンプリングされたデジタルデータを用いて移動局の電波の到来方向の変化を推定することにより方向を逐次決定する到来方向追従手段を備えたことを要旨とするものである。
【０００８】
かかる構成により、到来方向推定手段が一定時間間隔でＭＵＳＩＣ法またはＥＳＰＲＩＴ法を用いて基地局の周辺に存在する移動局の数と位置を推定し、これを初期値として到来方向追従手段が現在の移動体の存在する方向と一個前のサンプル点における方向との差分を計算することによりデジタルデータを用いて移動体の方向の推定を行う。これにより移動体の方向の推定処理を簡易にすることができ、一定の時間間隔で到来方向推定手段が移動局の数と位置を推定するので、移動局の正確な数と方向を推定することができ、移動局の数の変化を判定することが可能となる。また、到来方向追従手段は、到来方向推定手段が短い時間で電波の到来方向を推定することにより、移動局の移動に対して充分に追従できるという作用を有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、基地局に移動局からの送信電波を受信する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アンテナ素子での受信ＲＦ周波数信号をそれぞれ中間周波数信号に周波数変換する周波数変換手段と、前記中間周波数信号をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換手段と、前記アナログデジタル変換手段のデジタルデータをさらに低い周波数でサンプリングするダウンサンプリング手段と、前記アナログデジタル変換手段の変換したデジタルデータを用いて電波の到来方向を推定する到来方向推定手段と、前記到来方向推定手段の推定結果を初期値として用い前記ダウンサンプリング手段によってより低い周期でサンプリングされたデジタルデータを用いて移動局の電波の到来方向の変化を推定することにより方向を逐次決定する到来方向追従手段を有するようにしたものであり、到来方向推定手段がデジタルデータを用いて電波の到来方向を推定することにより一定の時間間隔で存在する移動局の正確な数と方向を推定することができ、到来方向追従手段は到来方向推定手段より短い時間で電波の到来方向を推定することにより移動局の移動に対して追従できるという作用ゆf0有する。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記到来方向追従手段の推定結果を用いて各アンテナ素子の受信信号に対する重みづけ係数を決定し前記ダウンサンプリング手段が第２のサンプリング周波数で変換したデジタルデータに重みづけ係数を乗算および乗算結果をすべてについて加算処理を行うことにより移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける受信ビーム形成手段を有するようにしたものであり、移動局が移動している場合にも到来方向追従手段が移動局の方向を逐次推定し、その方向にアンテナ指向性のピーク方向を逐次向けることができるという作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記ビーム形成手段の処理結果のデータから復調を行う復調手段を有するようにしたものであり、移動局からデータが送信された時に基地局でそのデータを復調することができるという作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項２記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、送信すべきデジタルのベースバンド信号の変調信号を発生する変調手段と、前記受信ビーム形成手段が決定した各アンテナ素子に対応する重みづけ係数をベースバンド信号に乗算することにより重みづけ送信信号を生成し移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける送信ビーム形成手段と、前記重みづけされた送信信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換手段と、アナログ信号を送信ＲＦ周波数信号に周波数信号に変換する周波数変換手段とを有し、送信ＲＦ周波数信号を前記アレーアンテナから送出するようにしたものであり、受信ビーム形成手段が決定したの各アンテナ素子に対応する重みづけ係数をベースバンド信号に乗算することにより重みづけ送信信号を生成することにより、受信ビームと同じ送信ビームを形成することにより、受信を行っていた移動局と同じ移動局に対して送信を行うことができるという作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、アナログデジタル変換手段が復調可能変換周波数より低い変換周波数で変換を行い、複数のアンテナ素子から成りすべてのアンテナ素子により全方向の指向性を有するセクターアンテナと、前記到来方向追従手段の推定結果を用いて移動局の存在する方向に指向性を持つ前記セクターアンテナのアンテナ素子を選択するアンテナ選択手段と、前記周波数変換手段により変換された中間周波数信号を復調する復調手段を有することにより、到来方向追従手段が推定した移動局の方向を用いてアンテナ素子の切り替えを行い、そのアンテナ素子での受信信号の中間周波数信号を復調することができるという作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項４記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記送信ＲＦ周波数信号を送信する送信用アレーアンテナを備えるようにしたものであり、受信アンテナと送信アンテナを別に配置することによりＲＦ回路における送受信信号をお互いに干渉を与えること無く伝送できるという作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項４記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、送信ＲＦ周波数信号と受信ＲＦ周波数信号を時分割で切り替えるスイッチを有するようにしたものであり、送信受信時分割多重の信号を同じアンテナで送信および受信することができるという作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記ダウンサンプリング手段の１種類の変換周波数を中間周波数の（Ｍ＋０．２５）分の１（Ｍは整数）とするようにしたものであり、ミキサ回路を持つことなく周波数変換をすることができるという作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項９に記載の発明は、請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記ダウンサンプリング手段の１種類の変換周波数を（中間周波数＋（帯域幅／２））の（Ｍ＋０．２５）分の１（Ｍは整数）とし、前記アナログデジタル変換手段の変換周波数を前記ダウンサンプリング手段の１種類の変換周波数の１６倍とするようにしたものであり、ミキサ回路を持つことなく周波数変換をすることができるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記アレーアンテナの正面にある基準送信機からの信号を前記アレーアンテナが受信し前記アナログデジタル変換手段の各アンテナ素子に対応するデジタルデータの位相振幅を比較し行路差を含めた補正値を計算しデジタルデータに加えるデータ補正手段を有し、前記到来方向推定手段および前記到来方向追従手段がこのデジタルデータを用いて到来方向を推定するようにしたものであり、データ補正手段が回路の誤差を補正するので電波の到来方向の角度による各アンテナ素子への入力位相差以外の位相差を除去できるという作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項１１に記載の発明は、請求項４記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、移動局に推定した移動局の方向データを変調手段に与える送信データ生成手段を備え、移動局に基地局から送られた信号を受信するアンテナと移動局の方向データを復調する復調手段と、方位磁石と、移動局の方向データと方位磁石から基地局の存在する方向を判定する基地局方位判定手段と、判定した基地局の方位を通知する通知手段を有するので、基地局での到来方向推定の結果を移動局に送信することによって、移動局で基地局の存在する方向を判定することができるという作用を有する。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図１２を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図である。図１において、１１は基地局に備え付けられ、移動局からの送信電波を受信する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナ、１２はアレーアンテナ１１の各アンテナ素子での受信ＲＦ周波数信号をそれぞれ中間周波数信号に周波数変換する周波数変換手段、１３は前記中間周波数信号をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換手段、１４はアナログデジタル変換手段１３のデジタルデータをさらに低い周波数でサンプリングするダウンサンプリング手段、１５は前記アナログデジタル変換手段１３の変換したデジタルデータを用いて電波の到来方向を推定する到来方向推定手段、１６は前記到来方向推定手段１５の推定結果を初期値として用い前記ダウンサンプリング手段１４によってより低い周期でサンプリングされたデジタルデータを用いて移動局の電波の到来方向の変化を推定することにより方向を逐次決定する到来方向追従手段、１７は移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向けるビーム形成手段、１８はビーム形成手段１７の処理結果のデータから復調を行う復調手段である。ビーム形成手段１７は、到来方向追従惹e8段１６の推定結果を用いてアレーアンテナ１１の各アンテナ素子の受信信号に対する重みづけ係数を決定し前記ダウンサンプリング手段１４が第２のサンプリング周波数で変換したデジタルデータに重みづけ係数を乗算および乗算結果をすべてについて加算処理を行うことにより移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける機能を有する。
【００２１】
図２は、到来方向推定手段１５、到来方向追従手段１６の具体的な動作を表す図である。図２において、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄは到来方向推定手段１５の処理を示す図、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは到来方向追従手段１６の処理を示す図である。
【００２２】
図３は、ビーム形成手段１７の具体例を示す図である。図３において３１はフーリエ変換手段、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは乗算器、３３は加算器である。
【００２３】
図４は、ダウンサンプリング手段の第１の具体例を示す図である。図において４１は到来方向追従用ダウンサンプリング部、４２はビーム形成用ダウンサンプリング部である。 図５は、ダウンサンプリング手段の第２の具体例を示す図である。図において５１は到来方向追従用ダウンサンプリング部、５２はビーム形成用ダウンサンプリング部、５３は遅延部である。
【００２４】
以上のように構成された電波到来方向推定アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。図１において、移動局が基地局の周辺で送信を行った時、基地局はその電波をアレーアンテナ１１で受信する。アレーアンテナ１１の各アンテナ素子で受信されたＲＦ周波数信号は、各アンテナ素子の受信信号それぞれに対して同位相のローカル信号によって周波数変換手段１２で周波数変換され、各アンテナ素子間でのＲＦ周波数信号の相対位相差、相対振幅比と同じになるアンテナ素子数の中間周波数信号を得る。それらの中間周波数信号はアナログデジタル変換手段１３によりデジタルデータに変換される。デジタルデータは、予め決められたサンプル数のデータが揃った段階で、到来方向推定手段１５がＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法等の固有値、固有ベクトルを用いた手法により移動局からの電波の到来方向を推定することにより、移動局の存在する方向を推定する。
【００２５】
到来方向推定手段１５は予め決められた数のデジタルデータが揃うまでの時間およびデジタルデータから電波の到来方向の推定処理が終了するまでの時間の間は結果を出すことはなく、推定結果は処理が終了した段階で間欠的に出される。到来方向推定手段１５の推定結果は移動局の数、移動局の存在する方向であり、これは到来方向追従手段１６に初期値として渡される。一方、ダウンサンプリング手段１４はアナログデジタル変換手段１３がデジタルデータに変換する変換周波数より低い周波数の変換周波数のデジタルデータに変換する。これは、例えばアナログデジタル変換手段１３の変換結果であるデジタルデータをＮ個（Ｎは整数）に１回だけ出力するように構成される。
【００２６】
図４は、ダウンサンプリング手段の第１の具体例を示している。中間周波数信号の中心周波数は４５０ＫＨｚ、アナログデジタル変換手段１３のサンプリング周波数は１．２Ｍサンプル／秒としている。到来方向追従用ダウンサンプリング部４１は到来方向追従手段１６の処理速度である１Ｋサンプル／秒となるようにアナログデジタル変換手段１３の出力のサンプルデータを１２００個に対して１個出力する。ビーム形成用ダウンサンプリング部４２は２００Ｋサンプル／秒となるように６個に対して１個出力する。２００Ｋサンプル／秒は、中間周波数信号の周波数４５０ｋＨｚのＭ＝１のときの（Ｍ＋０．２５）分の１となり、このとき周波数５０ｋＨｚを中心とした信号に高次サンプリングされる。
【００２７】
図５はダウンサンプリング手段の第２の具体例を示している。中間周波数信号の中心周波数は４５０ｋＨｚ、アナログデジタル変換手段のサンプリング周波数は１．８Ｍサンプル／秒としている。到来方向追従用ダウンサンプリング部５１は到来方向追従手段１６の処理速度である１Ｋサンプル／秒となるように、アナログデジタル変換手段１３の出力のサンプルデータを１８００個に対して１個出力する。ビーム形成用ダウンサンプリング部５２は１１２．５Ｋサンプル／秒となるように１６個に対して１個出力する。１１２．５Ｋサンプル／秒は、中間周波数４５０ｋＨｚ、帯域幅５６．２５、Ｍ＝４のときの（中間周波数＋（帯域幅／２））の（Ｍ＋０．２５）分の１となり、このとき周波数０Ｈｚを中心とした信号に高次サンプリングされる。一方、遅延部５３は１．８Ｍサンプル／秒の１サンプル分の遅延を行うことにより遅延させないダウンサンプリングデータと、遅延させたダウンサンプリングデータによりＩ信号、Ｑ信号を得ることができる
【００２８】
次に、図１において到来方向追従手段１６は、到来方向推定手段１５の推定結果である移動局の数と移動局の方向を、初期値として逐次処理により移動する移動局の方向を推定する。図２に移動局が移動している時の到来方向推定手段１５と到来方向追従手段１６の処理の関係を示す。２１Ａでは、到来方向推定手段１５が推定結果を出力する。到来方向推定手段１５がデータの収集および固有値の計算等一括処理により値を次に出す２１Ｂまでの間（２２Ａ）、到来方向追従手段１６は２１Ａでの結果を用いてデータを１サンプル入力するごとに逐次的に推定結果を出力する。到来方向追従手段１６の処理は例えば、H.Kagiwada他 「A Recursive Algorithm for Tracking DOA's of Moving Targets by Using Linear Approximations」spawc'97 in Paris,1997に詳しく述べられた手法を用いることができる。これは、現在より１つ前のサンプリングデータおよび角度の変化率から推定される現在のアレーアンテナ１１の各アンテナ素子での受信信号と、実際の現在のアレーアンテナ１１の各アンテナ素子での受信信号の値の差の２乗平均値が最小になるようにして移動局の角度、角度変化率を推定する。
【００２９】
到来方向追従手段１６により推定された移動局の方向はビーム形成手段１７によりアンテナの指向性のピークが向くように計算される。図３はビーム形成手段の処理の具体的内容を示している。到来方向追従手段１６で得られた移動局の到来方向推定データは、アンテナの指向性ビームを合成する際の係数として用いられ、これをフーリエ変換手段３１がフーリエ変換することによって、各アンテナ素子の受信信号に対する重みづけ係数が得られる。アンテナの指向性ビームを合成する方法は、例えばThe Woodward-Lawson Sampling Method（例えば、詳しくは、W. L. Stutzman他「Antenna Theory and Design」,Wiley 1981, pp534-536参照）を用いることにより実現できる。ビーム形成手段では重みづけ係数が乗算器３２Ａ、３２Ｂ、３３Ｃで各デジタルデータに対して乗算され、その後すべてのアンテナ素子に対するデータが加算器３３で加えられる。復調手段１８はビーム形成手段１７の処理結果を用いて復調処理を行う。
【００３０】
以上のように本実施の形態の発明によれば、到来方向推定手段１５が移動局の数と方向の初期値を推定し、その値に基づいて到来方向追従手段１６が逐次に処理を行い移動局の存在する方向を推定し、方向の推定値からビーム形成手段１７がアンテナ指向性ビームを形成し、復調を行うため、高速に移動する移動体に対してもアンテナビームを適切に向けることができ移動局、基地局間の高品質の伝送を実現することができる。
【００３１】
（実施の形態２）
図６は本発明の第２の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図である。図６において明らかなように、この第２の実施の形態に係る電波到来方向推定アンテナ装置は上記第１の実施の形態と同様の構成を基本的に有しており、図６においても、１１は基地局に備え付けられ、移動局からの送信電波を受信する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナ、１２はアレーアンテナ１１の各アンテナ素子での受信ＲＦ周波数信号をそれぞれ中間周波数信号に周波数変換する周波数変換手段、１３は前記中間周波数信号をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換手段、１４はアナログデジタル変換手段１３のデジタルデータをさらに低い周波数でサンプリングするダウンサンプリング手段、１５は前記アナログデジタル変換手段１３の変換したデジタルデータを用いて電波の到来方向を推定する到来方向推定手段、１６は前記到来方向推定手段１５の推定結果を初期値として用い前記ダウンサンプリング手段１４によってより低い周期でサンプリングされたデジタルデータを用いて移動局の電波の到来方向の変化を推定することにより方向を逐次決定する到来方向追従手段、１７は移動局の方向にアンテナ指御fc性ビームを向けるビーム形成手段、１８はビーム形成手段１７の処理結果のデータから復調を行う復調手段である。そして、ビーム形成手段１７は、到来方向追従手段１６の推定結果を用いてアレーアンテナ１１の各アンテナ素子の受信信号に対する重みづけ係数を決定し前記ダウンサンプリング手段１４が第２のサンプリング周波数で変換したデジタルデータに重みづけ係数を乗算および乗算結果をすべてについて加算処理を行うことにより移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける機能を有する。
【００３２】
さらにこの第２の実施の形態では送信機能部を備えており、図６において、６１は基地局に備え付けられ、移動局への送信電波を発信（送出）する複数のアンテナ素子を有する送信アレーアンテナ、６２はアナログ信号を送信ＲＦ周波数信号に変換してアレーアンテナ６１へ送付する周波数変換手段、６４は受信ビーム形成手段１７が決定した各アンテナ素子に対応する重みづけ係数をベースバンド信号に乗算することにより重みづけ送信信号を生成し移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける送信ビーム形成手段、６３は前記重みづけされた送信信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換手段、６５は送信すべきデジタルのベースバンド信号の変調信号を発生する変調手段である。そして、アレーアンテナ６１は送信ＲＦ周波数信号を送出する機能を有する。
【００３３】
図７は、送信ビーム形成手段の具体例を示す図である。図７において、７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃは変調データに重みづけ係数を乗算する乗算器である。
【００３４】
以上のように構成された電波到来方向推定アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。実施の形態１に示したように、図６において到来方向推定手段１５および到来方向追従手段１６により移動局の方向を推定することができ、またその推定結果に基づいてビーム形成手段１７は重みづけ係数が決定される。一方、変調手段６５は、移動局へ送信すべきデジタルのベースバンド信号の変調信号を発生する。この変調信号は、ビーム形成手段１７が決定した受信時のアレーアンテナ１１の各アンテナ素子に対応する重みづけ係数と乗算することにより重みづけ送信信号を生成する。
【００３５】
図７の送信ビーム形成手段６４の具体例に示すように、ベースバンドの変調信号は信号は乗算器７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃにより数値演算の乗算を行い、この処理結果はアンテナ素子数のデジタルデータの組となる。次に図６おいて、これらのデジタルデータはデジタルアナログ変換手段６３によりアナログ信号に変換され、その後に周波数変換手段６２で、送信ＲＦ周波数信号に変換される。送信ＲＦ周波数信号は受信アレーアンテナ１１と同じ指向特性を持つ送信アレーアンテナ６１から送出することにより、移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向けて電波が送出される。本実施の形態では受信のためのアレーアンテナ１１と送信アレーアンテナ６１はそれぞれ独立して備えられている。これは、送信信号が受信部に回り込むことにより受信性能が劣化することを防ぐことができる。なお、送信、受信のタイミングが時分割で行われる通信方式の場合にはそのタイミングに同期して送信、受信を切り替えるスイッチを備えることにより送信アレーアンテナ６１と受信アレーアンテナ１１とを共用して用いることが可能である。
【００３６】
以上のように本実施の形態の発明によれば、受信でのビーム形成手段１７が決定した重みづけ係数をそのまま利用するため、簡単な構成で、送信ビーム形成手段６４において高速に移動する移動局に対して送信ビームの形成ができ、送信ビームを適切に形成することにより、他の基地局や移動局への干渉を防ぎ、目的とする移動局に対しても送信電力を低減することが可能である。
【００３７】
（実施の形態３）
図８は本発明の第３の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図である。図において、８１はセクタアンテナ、８２はアンテナ切り替え手段、８３は周波数変換手段である。図９は、アンテナ切り替え手段の動作を表す概念図である。図において、９１Ａ、９１Ｂ、９１Ｃ、９１Ｄ、９１Ｅ、９１Ｆはセクタアンテナのアンテナ素子、９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃ、９２Ｄ、９２Ｅ、９２Ｆはセクタアンテナのアンテナ素子のアンテナ指向性、９３はアレーアンテナ、９４は移動局である。
【００３８】
以上のように構成された電波到来方向推定アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。図８において、到来方向追従手段１６が移動局の存在する方向を推定し、その結果はアンテナ切り替え手段８２に与えられる。アンテナ切り替え手段はセクタアンテナ８１のアンテナ素子のうち、その指向性が移動局の方向にボアサイトとなるアンテナ素子を選択する。図９の例において、セクタアンテナ９２は６素子のアンテナ素子から構成されている。各アンテナ素子は９２Ａから９２Ｆで示されているように６０度の範囲の電波を送信または受信できるアンテナ指向性パターンを有している。この時に、アレーアンテナ９３で受信した電波から移動局の方向を推定した後アンテナ切り替え手段は、移動局９４の方向にその指向性のボアサイトが向いている９２Ａのアンテナ素子を選択することにより、移動局からの電波を受信または移動局へ送信を行う。図８において周波数変換手段８３および周波数変換手段６２は復調および変調を行うために、周波数変換手段１２とは別に備えているものである。
【００３９】
以上のように本実施の形態の発明によれば、到来方向追従手段が推定した移動局の方向に基づいて、セクタアンテナを切り替えて送信または受信を行うため、デジタル信号処理が可能な速度に比較して高速な伝送を行う場合にも、アンテナの指向性を制御して高信頼性のデータ伝送を行うことができる。
【００４０】
（実施の形態４）
図１０は本発明の第４の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図である。図において１０１は位相補正手段、１０２は基準送信機である。図１１は位相補正の原理を示す図である。
【００４１】
以上のように構成された電波到来方向推定アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。図１０において、アレーアンテナ１１の正面におかれた基準送信機１０２からの送信試験信号をアレーアンテナが受信する。アレーアンテナの各素子は基準送信機からの行路長によって伝搬位相差が存在する。図１１は一例として３素子のアレーアンテナ１１が、基準送信機１０２からの信号を受信し、位相補正をする様子を示している。アレーアンテナが３素子の場合には、基準送信機はアレーアンテナの中心のアンテナ素子１１１とお互いの正面に対向するように配置される。このとき基準送信機とアレーアンテナの中心の素子との距離予め分かっているものとして、その値をＬ０とする。アレーアンテナのアンテナ素子間は距離ｄがあるため、基準送信機からアレーアンテナの他の素子１１２、１１３までの距離Ｌ１、Ｌ２はＬ０と異なる値となる。それらは、Ｌ１×Ｌ１＝Ｌ０×Ｌ０＋ｄ×ｄ、Ｌ２×Ｌ２＝Ｌ０×Ｌ０＋ｄ×ｄの関係で得られる。それらの、位相差は、アレーアンテナの中心のアンテナ素子を基準とし、電波の伝搬波長をλとすればアンテナ素子１１２では（Ｌ１―Ｌ０）／λ、アンテナ素子１１３では（Ｌ２−Ｌゆ4f）／λとなる。従って、アナログデジタル変換後の測定データをアンテナ素子間で比較し、その値を補正値として用いる。
【００４２】
以上のように本実施の形態による発明によれば、基準送信機からの送信試験信号により位相の補正を行うため、アンテナ素子やＲＦ回路等の素子のバラツキによる振幅、位相のずれを補正することができ、到来方向推定の精度を高精度にすることが可能である。
【００４３】
（実施の形態５）
図１２は本発明の第５の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図である。図において１２１は送信データ生成手段、１２２は移動局、１２３は復調手段、１２４は方位磁石、１２５は基地局方位判定手段、１２６はアンテナ、１２７は通知手段である。以上のように構成された電波到来方向推定アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。図１２において、到来方向追従手段１６が推定した移動局の方向は、送信データ生成手段１２１により例えば「北」の方向との隔たりの角度データとして生成され、変調手段６５に送られ送信信号として送信アレーアンテナとして６１より送出される。移動局１２２では、アンテナ１２６で信号を受信し、復調手段１２３により移動局の方向データを復調する。一方、移動局には方位磁石１２４を備えているため例えば「北」の方向を知ることができ、これら２つの情報から基地局判定手段１２５は基地局の方向を判定しその結果を通知手段１２７が通知する。移動局は、携帯機のように可搬のものであればそれを持つ人間がアンテナを基地局判定手段の情報に基づいて基地局の方向に向ける。
【００４４】
以上のように本実施の形態による発明によれば、移動局のようにスペースやコストの問題から到来方向推定手段を備えることができない場合でも、基地局の方向を判定することができ、その情報に基づいてアンテナを基地局の方向に向けることができるので、高信頼性のデータ伝送を実現できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、基地局の近傍を高速に移動する移動体に対しても、到来方向推定およびアンテナ指向性パターンの制御の実時間処理を可能とし、高信頼性のデータ伝送を行うとともに、他の基地局や移動局への干渉や送信電力の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図
【図２】到来方向推定手段、到来方向追従手段の具体的な動作を表す図
【図３】ビーム形成手段の具体例を示す図
【図４】ダウンサンプリング手段の第１の具体例を示す図
【図５】ダウンサンプリング手段の第２の具体例を示す図
【図６】第２の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図
【図７】送信ビーム形成手段の具体例を示す図
【図８】第３の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図
【図９】アンテナ切り替え手段の動作を表す概念図
【図１０】第４の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図
【図１１】位相補正の原理を示す図
【図１２】第５の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図
【符号の説明】
１１ アレーアンテナ
１２ 周波数変換手段
１３ アナログデジタル変換手段
１４ ダウンサンプリング手段
１５ 到来方向推定手段
１６ 到来方向追従手段
１７ ビーム形成手段
１８ 復調手段
６１ 送信アレーアンテナ
６３ デジタルアナログ変換手段
６４ 送信ビーム形成手段
６５ 変調手段
８２ アンテナ切り替え手段
【発明の属する技術分野】
本発明は主として、携帯電話、ＰＨＳやページャ等の移動通信システムの基地局に用いるアンテナの放射指向性の制御を行う電波到来方向推定アンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信分野では、各基地局に割り当てられたエリアに複数の移動局を収容する方式として時分割多重（ＴＤＭＡ）、周波数分割多重（ＦＤＭＡ）、符号分割多重（ＣＤＭＡ）などが実用化されている。また、基地局のサービスエリアは予め決められた大きさに固定されそのエリア内に存在する移動局のみと通信しており、また基地局とその基地局のサービスエリア内に存在する移動局の使用する周波数も隣接する基地局や移動局同士で干渉しあわないように予め決められている。このため、１つの基地局のエリアに収容可能な移動局の数は、時分割多重方式の場合は移動局に割り当てられる通信スロットの総数に制限され、周波数分割多重方式の場合には周波数チャネルの総数に制限され、符号分割多重の場合にはデータ伝送レートとスペクトル拡散チップレートの比により決定される妨害除去の能力によってエリア内に収容できる移動局が制限されてしまう。
【０００３】
一方、こうした移動局の収容数の上限を増大させるための方法として「ダイナミックゾーン構成」が提案されている（例えば、吉本他「インテリジェント電波有効利用技術」、ＣＲＬ周波数資源プロジェクト研究発表会予稿、９６年１０ 月）。これは各基地局の周辺に存在する移動局の数、方向に応じて基地局のアンテナ指向性パターンを変化させ移動局の数が多い方向にエリアの形状を変化させるものである。これにより、エリアの形状が固定されている場合、基地局の存在する地域により発生する通話トラフィックのアンバランスを解消でき、収容できる端末数の総和を増大することができる。また狭ビーム化することにより、他の移動局や基地局への干渉を軽減し、通話可能距離も増大させることが可能であるこの技術を実現するためには、予め移動局からの電波の到来方向を推定することにより移動局の位置と数を推定し、その方向にアンテナ指向性パターンのピーク方向またはヌル方向を向ける必要がある。従来こうした技術の実現例では、例えば「広帯域円形配列アダプティブアレイの試作と評価実験」（電子情報通信学会、信学技報ＡＰ９７−７６、１９９７−０７、ｐｐ．３９〜４４）に示されるように電波の到来方向推定処理部、デジタルビーム形成部等から構成され、電波の到来方向推定技術としてＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術を用いた場合、電波の到来方向推定技術として用いられるＭＵＳＩＣ法やＥＳＰＲＩＴ法では、推定を行うまでに多くのデータをサンプルする必要があり、また推定を行うための処理として共分散行列、固有値、固有ベクトル等の計算量が多大である。
【０００５】
また、多くの要素を持つ１つの行列演算を行うことから、通常処理の高速化に用いられる演算処理の並列化が困難である。このため、移動局が基地局の近傍を高速で通過する場合が想定される場合には適用不可となるという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するものであり、基地局の近傍を高速に移動する移動体に対しても、到来方向推定およびアンテナ指向性パターンの制御の実時間処理を可能とする電波到来方向推定アンテナ装置を実現することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明は、電波到来方向推定アンテナ装置に、基地局に移動局からの送信電波を受信する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アンテナ素子での受信ＲＦ周波数信号をそれぞれ中間周波数信号に周波数変換する周波数変換手段と、前記中間周波数信号をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換手段と、前記アナログデジタル変換手段のデジタルデータをさらに低い周波数でサンプリングするダウンサンプリング手段と、前記アナログデジタル変換手段の変換したデジタルデータを用いて電波の到来方向を推定する到来方向推定手段と、前記到来方向推定手段の推定結果を初期値として用い前記ダウンサンプリング手段によってより低い周期でサンプリングされたデジタルデータを用いて移動局の電波の到来方向の変化を推定することにより方向を逐次決定する到来方向追従手段を備えたことを要旨とするものである。
【０００８】
かかる構成により、到来方向推定手段が一定時間間隔でＭＵＳＩＣ法またはＥＳＰＲＩＴ法を用いて基地局の周辺に存在する移動局の数と位置を推定し、これを初期値として到来方向追従手段が現在の移動体の存在する方向と一個前のサンプル点における方向との差分を計算することによりデジタルデータを用いて移動体の方向の推定を行う。これにより移動体の方向の推定処理を簡易にすることができ、一定の時間間隔で到来方向推定手段が移動局の数と位置を推定するので、移動局の正確な数と方向を推定することができ、移動局の数の変化を判定することが可能となる。また、到来方向追従手段は、到来方向推定手段が短い時間で電波の到来方向を推定することにより、移動局の移動に対して充分に追従できるという作用を有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、基地局に移動局からの送信電波を受信する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アンテナ素子での受信ＲＦ周波数信号をそれぞれ中間周波数信号に周波数変換する周波数変換手段と、前記中間周波数信号をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換手段と、前記アナログデジタル変換手段のデジタルデータをさらに低い周波数でサンプリングするダウンサンプリング手段と、前記アナログデジタル変換手段の変換したデジタルデータを用いて電波の到来方向を推定する到来方向推定手段と、前記到来方向推定手段の推定結果を初期値として用い前記ダウンサンプリング手段によってより低い周期でサンプリングされたデジタルデータを用いて移動局の電波の到来方向の変化を推定することにより方向を逐次決定する到来方向追従手段を有するようにしたものであり、到来方向推定手段がデジタルデータを用いて電波の到来方向を推定することにより一定の時間間隔で存在する移動局の正確な数と方向を推定することができ、到来方向追従手段は到来方向推定手段より短い時間で電波の到来方向を推定することにより移動局の移動に対して追従できるという作用ゆf0有する。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記到来方向追従手段の推定結果を用いて各アンテナ素子の受信信号に対する重みづけ係数を決定し前記ダウンサンプリング手段が第２のサンプリング周波数で変換したデジタルデータに重みづけ係数を乗算および乗算結果をすべてについて加算処理を行うことにより移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける受信ビーム形成手段を有するようにしたものであり、移動局が移動している場合にも到来方向追従手段が移動局の方向を逐次推定し、その方向にアンテナ指向性のピーク方向を逐次向けることができるという作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記ビーム形成手段の処理結果のデータから復調を行う復調手段を有するようにしたものであり、移動局からデータが送信された時に基地局でそのデータを復調することができるという作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項２記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、送信すべきデジタルのベースバンド信号の変調信号を発生する変調手段と、前記受信ビーム形成手段が決定した各アンテナ素子に対応する重みづけ係数をベースバンド信号に乗算することにより重みづけ送信信号を生成し移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける送信ビーム形成手段と、前記重みづけされた送信信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換手段と、アナログ信号を送信ＲＦ周波数信号に周波数信号に変換する周波数変換手段とを有し、送信ＲＦ周波数信号を前記アレーアンテナから送出するようにしたものであり、受信ビーム形成手段が決定したの各アンテナ素子に対応する重みづけ係数をベースバンド信号に乗算することにより重みづけ送信信号を生成することにより、受信ビームと同じ送信ビームを形成することにより、受信を行っていた移動局と同じ移動局に対して送信を行うことができるという作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、アナログデジタル変換手段が復調可能変換周波数より低い変換周波数で変換を行い、複数のアンテナ素子から成りすべてのアンテナ素子により全方向の指向性を有するセクターアンテナと、前記到来方向追従手段の推定結果を用いて移動局の存在する方向に指向性を持つ前記セクターアンテナのアンテナ素子を選択するアンテナ選択手段と、前記周波数変換手段により変換された中間周波数信号を復調する復調手段を有することにより、到来方向追従手段が推定した移動局の方向を用いてアンテナ素子の切り替えを行い、そのアンテナ素子での受信信号の中間周波数信号を復調することができるという作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項４記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記送信ＲＦ周波数信号を送信する送信用アレーアンテナを備えるようにしたものであり、受信アンテナと送信アンテナを別に配置することによりＲＦ回路における送受信信号をお互いに干渉を与えること無く伝送できるという作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項４記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、送信ＲＦ周波数信号と受信ＲＦ周波数信号を時分割で切り替えるスイッチを有するようにしたものであり、送信受信時分割多重の信号を同じアンテナで送信および受信することができるという作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記ダウンサンプリング手段の１種類の変換周波数を中間周波数の（Ｍ＋０．２５）分の１（Ｍは整数）とするようにしたものであり、ミキサ回路を持つことなく周波数変換をすることができるという作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項９に記載の発明は、請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記ダウンサンプリング手段の１種類の変換周波数を（中間周波数＋（帯域幅／２））の（Ｍ＋０．２５）分の１（Ｍは整数）とし、前記アナログデジタル変換手段の変換周波数を前記ダウンサンプリング手段の１種類の変換周波数の１６倍とするようにしたものであり、ミキサ回路を持つことなく周波数変換をすることができるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、前記アレーアンテナの正面にある基準送信機からの信号を前記アレーアンテナが受信し前記アナログデジタル変換手段の各アンテナ素子に対応するデジタルデータの位相振幅を比較し行路差を含めた補正値を計算しデジタルデータに加えるデータ補正手段を有し、前記到来方向推定手段および前記到来方向追従手段がこのデジタルデータを用いて到来方向を推定するようにしたものであり、データ補正手段が回路の誤差を補正するので電波の到来方向の角度による各アンテナ素子への入力位相差以外の位相差を除去できるという作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項１１に記載の発明は、請求項４記載の電波到来方向推定アンテナ装置において、移動局に推定した移動局の方向データを変調手段に与える送信データ生成手段を備え、移動局に基地局から送られた信号を受信するアンテナと移動局の方向データを復調する復調手段と、方位磁石と、移動局の方向データと方位磁石から基地局の存在する方向を判定する基地局方位判定手段と、判定した基地局の方位を通知する通知手段を有するので、基地局での到来方向推定の結果を移動局に送信することによって、移動局で基地局の存在する方向を判定することができるという作用を有する。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図１２を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図である。図１において、１１は基地局に備え付けられ、移動局からの送信電波を受信する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナ、１２はアレーアンテナ１１の各アンテナ素子での受信ＲＦ周波数信号をそれぞれ中間周波数信号に周波数変換する周波数変換手段、１３は前記中間周波数信号をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換手段、１４はアナログデジタル変換手段１３のデジタルデータをさらに低い周波数でサンプリングするダウンサンプリング手段、１５は前記アナログデジタル変換手段１３の変換したデジタルデータを用いて電波の到来方向を推定する到来方向推定手段、１６は前記到来方向推定手段１５の推定結果を初期値として用い前記ダウンサンプリング手段１４によってより低い周期でサンプリングされたデジタルデータを用いて移動局の電波の到来方向の変化を推定することにより方向を逐次決定する到来方向追従手段、１７は移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向けるビーム形成手段、１８はビーム形成手段１７の処理結果のデータから復調を行う復調手段である。ビーム形成手段１７は、到来方向追従惹e8段１６の推定結果を用いてアレーアンテナ１１の各アンテナ素子の受信信号に対する重みづけ係数を決定し前記ダウンサンプリング手段１４が第２のサンプリング周波数で変換したデジタルデータに重みづけ係数を乗算および乗算結果をすべてについて加算処理を行うことにより移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける機能を有する。
【００２１】
図２は、到来方向推定手段１５、到来方向追従手段１６の具体的な動作を表す図である。図２において、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄは到来方向推定手段１５の処理を示す図、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは到来方向追従手段１６の処理を示す図である。
【００２２】
図３は、ビーム形成手段１７の具体例を示す図である。図３において３１はフーリエ変換手段、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは乗算器、３３は加算器である。
【００２３】
図４は、ダウンサンプリング手段の第１の具体例を示す図である。図において４１は到来方向追従用ダウンサンプリング部、４２はビーム形成用ダウンサンプリング部である。 図５は、ダウンサンプリング手段の第２の具体例を示す図である。図において５１は到来方向追従用ダウンサンプリング部、５２はビーム形成用ダウンサンプリング部、５３は遅延部である。
【００２４】
以上のように構成された電波到来方向推定アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。図１において、移動局が基地局の周辺で送信を行った時、基地局はその電波をアレーアンテナ１１で受信する。アレーアンテナ１１の各アンテナ素子で受信されたＲＦ周波数信号は、各アンテナ素子の受信信号それぞれに対して同位相のローカル信号によって周波数変換手段１２で周波数変換され、各アンテナ素子間でのＲＦ周波数信号の相対位相差、相対振幅比と同じになるアンテナ素子数の中間周波数信号を得る。それらの中間周波数信号はアナログデジタル変換手段１３によりデジタルデータに変換される。デジタルデータは、予め決められたサンプル数のデータが揃った段階で、到来方向推定手段１５がＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法等の固有値、固有ベクトルを用いた手法により移動局からの電波の到来方向を推定することにより、移動局の存在する方向を推定する。
【００２５】
到来方向推定手段１５は予め決められた数のデジタルデータが揃うまでの時間およびデジタルデータから電波の到来方向の推定処理が終了するまでの時間の間は結果を出すことはなく、推定結果は処理が終了した段階で間欠的に出される。到来方向推定手段１５の推定結果は移動局の数、移動局の存在する方向であり、これは到来方向追従手段１６に初期値として渡される。一方、ダウンサンプリング手段１４はアナログデジタル変換手段１３がデジタルデータに変換する変換周波数より低い周波数の変換周波数のデジタルデータに変換する。これは、例えばアナログデジタル変換手段１３の変換結果であるデジタルデータをＮ個（Ｎは整数）に１回だけ出力するように構成される。
【００２６】
図４は、ダウンサンプリング手段の第１の具体例を示している。中間周波数信号の中心周波数は４５０ＫＨｚ、アナログデジタル変換手段１３のサンプリング周波数は１．２Ｍサンプル／秒としている。到来方向追従用ダウンサンプリング部４１は到来方向追従手段１６の処理速度である１Ｋサンプル／秒となるようにアナログデジタル変換手段１３の出力のサンプルデータを１２００個に対して１個出力する。ビーム形成用ダウンサンプリング部４２は２００Ｋサンプル／秒となるように６個に対して１個出力する。２００Ｋサンプル／秒は、中間周波数信号の周波数４５０ｋＨｚのＭ＝１のときの（Ｍ＋０．２５）分の１となり、このとき周波数５０ｋＨｚを中心とした信号に高次サンプリングされる。
【００２７】
図５はダウンサンプリング手段の第２の具体例を示している。中間周波数信号の中心周波数は４５０ｋＨｚ、アナログデジタル変換手段のサンプリング周波数は１．８Ｍサンプル／秒としている。到来方向追従用ダウンサンプリング部５１は到来方向追従手段１６の処理速度である１Ｋサンプル／秒となるように、アナログデジタル変換手段１３の出力のサンプルデータを１８００個に対して１個出力する。ビーム形成用ダウンサンプリング部５２は１１２．５Ｋサンプル／秒となるように１６個に対して１個出力する。１１２．５Ｋサンプル／秒は、中間周波数４５０ｋＨｚ、帯域幅５６．２５、Ｍ＝４のときの（中間周波数＋（帯域幅／２））の（Ｍ＋０．２５）分の１となり、このとき周波数０Ｈｚを中心とした信号に高次サンプリングされる。一方、遅延部５３は１．８Ｍサンプル／秒の１サンプル分の遅延を行うことにより遅延させないダウンサンプリングデータと、遅延させたダウンサンプリングデータによりＩ信号、Ｑ信号を得ることができる
【００２８】
次に、図１において到来方向追従手段１６は、到来方向推定手段１５の推定結果である移動局の数と移動局の方向を、初期値として逐次処理により移動する移動局の方向を推定する。図２に移動局が移動している時の到来方向推定手段１５と到来方向追従手段１６の処理の関係を示す。２１Ａでは、到来方向推定手段１５が推定結果を出力する。到来方向推定手段１５がデータの収集および固有値の計算等一括処理により値を次に出す２１Ｂまでの間（２２Ａ）、到来方向追従手段１６は２１Ａでの結果を用いてデータを１サンプル入力するごとに逐次的に推定結果を出力する。到来方向追従手段１６の処理は例えば、H.Kagiwada他 「A Recursive Algorithm for Tracking DOA's of Moving Targets by Using Linear Approximations」spawc'97 in Paris,1997に詳しく述べられた手法を用いることができる。これは、現在より１つ前のサンプリングデータおよび角度の変化率から推定される現在のアレーアンテナ１１の各アンテナ素子での受信信号と、実際の現在のアレーアンテナ１１の各アンテナ素子での受信信号の値の差の２乗平均値が最小になるようにして移動局の角度、角度変化率を推定する。
【００２９】
到来方向追従手段１６により推定された移動局の方向はビーム形成手段１７によりアンテナの指向性のピークが向くように計算される。図３はビーム形成手段の処理の具体的内容を示している。到来方向追従手段１６で得られた移動局の到来方向推定データは、アンテナの指向性ビームを合成する際の係数として用いられ、これをフーリエ変換手段３１がフーリエ変換することによって、各アンテナ素子の受信信号に対する重みづけ係数が得られる。アンテナの指向性ビームを合成する方法は、例えばThe Woodward-Lawson Sampling Method（例えば、詳しくは、W. L. Stutzman他「Antenna Theory and Design」,Wiley 1981, pp534-536参照）を用いることにより実現できる。ビーム形成手段では重みづけ係数が乗算器３２Ａ、３２Ｂ、３３Ｃで各デジタルデータに対して乗算され、その後すべてのアンテナ素子に対するデータが加算器３３で加えられる。復調手段１８はビーム形成手段１７の処理結果を用いて復調処理を行う。
【００３０】
以上のように本実施の形態の発明によれば、到来方向推定手段１５が移動局の数と方向の初期値を推定し、その値に基づいて到来方向追従手段１６が逐次に処理を行い移動局の存在する方向を推定し、方向の推定値からビーム形成手段１７がアンテナ指向性ビームを形成し、復調を行うため、高速に移動する移動体に対してもアンテナビームを適切に向けることができ移動局、基地局間の高品質の伝送を実現することができる。
【００３１】
（実施の形態２）
図６は本発明の第２の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図である。図６において明らかなように、この第２の実施の形態に係る電波到来方向推定アンテナ装置は上記第１の実施の形態と同様の構成を基本的に有しており、図６においても、１１は基地局に備え付けられ、移動局からの送信電波を受信する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナ、１２はアレーアンテナ１１の各アンテナ素子での受信ＲＦ周波数信号をそれぞれ中間周波数信号に周波数変換する周波数変換手段、１３は前記中間周波数信号をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換手段、１４はアナログデジタル変換手段１３のデジタルデータをさらに低い周波数でサンプリングするダウンサンプリング手段、１５は前記アナログデジタル変換手段１３の変換したデジタルデータを用いて電波の到来方向を推定する到来方向推定手段、１６は前記到来方向推定手段１５の推定結果を初期値として用い前記ダウンサンプリング手段１４によってより低い周期でサンプリングされたデジタルデータを用いて移動局の電波の到来方向の変化を推定することにより方向を逐次決定する到来方向追従手段、１７は移動局の方向にアンテナ指御fc性ビームを向けるビーム形成手段、１８はビーム形成手段１７の処理結果のデータから復調を行う復調手段である。そして、ビーム形成手段１７は、到来方向追従手段１６の推定結果を用いてアレーアンテナ１１の各アンテナ素子の受信信号に対する重みづけ係数を決定し前記ダウンサンプリング手段１４が第２のサンプリング周波数で変換したデジタルデータに重みづけ係数を乗算および乗算結果をすべてについて加算処理を行うことにより移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける機能を有する。
【００３２】
さらにこの第２の実施の形態では送信機能部を備えており、図６において、６１は基地局に備え付けられ、移動局への送信電波を発信（送出）する複数のアンテナ素子を有する送信アレーアンテナ、６２はアナログ信号を送信ＲＦ周波数信号に変換してアレーアンテナ６１へ送付する周波数変換手段、６４は受信ビーム形成手段１７が決定した各アンテナ素子に対応する重みづけ係数をベースバンド信号に乗算することにより重みづけ送信信号を生成し移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける送信ビーム形成手段、６３は前記重みづけされた送信信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換手段、６５は送信すべきデジタルのベースバンド信号の変調信号を発生する変調手段である。そして、アレーアンテナ６１は送信ＲＦ周波数信号を送出する機能を有する。
【００３３】
図７は、送信ビーム形成手段の具体例を示す図である。図７において、７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃは変調データに重みづけ係数を乗算する乗算器である。
【００３４】
以上のように構成された電波到来方向推定アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。実施の形態１に示したように、図６において到来方向推定手段１５および到来方向追従手段１６により移動局の方向を推定することができ、またその推定結果に基づいてビーム形成手段１７は重みづけ係数が決定される。一方、変調手段６５は、移動局へ送信すべきデジタルのベースバンド信号の変調信号を発生する。この変調信号は、ビーム形成手段１７が決定した受信時のアレーアンテナ１１の各アンテナ素子に対応する重みづけ係数と乗算することにより重みづけ送信信号を生成する。
【００３５】
図７の送信ビーム形成手段６４の具体例に示すように、ベースバンドの変調信号は信号は乗算器７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃにより数値演算の乗算を行い、この処理結果はアンテナ素子数のデジタルデータの組となる。次に図６おいて、これらのデジタルデータはデジタルアナログ変換手段６３によりアナログ信号に変換され、その後に周波数変換手段６２で、送信ＲＦ周波数信号に変換される。送信ＲＦ周波数信号は受信アレーアンテナ１１と同じ指向特性を持つ送信アレーアンテナ６１から送出することにより、移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向けて電波が送出される。本実施の形態では受信のためのアレーアンテナ１１と送信アレーアンテナ６１はそれぞれ独立して備えられている。これは、送信信号が受信部に回り込むことにより受信性能が劣化することを防ぐことができる。なお、送信、受信のタイミングが時分割で行われる通信方式の場合にはそのタイミングに同期して送信、受信を切り替えるスイッチを備えることにより送信アレーアンテナ６１と受信アレーアンテナ１１とを共用して用いることが可能である。
【００３６】
以上のように本実施の形態の発明によれば、受信でのビーム形成手段１７が決定した重みづけ係数をそのまま利用するため、簡単な構成で、送信ビーム形成手段６４において高速に移動する移動局に対して送信ビームの形成ができ、送信ビームを適切に形成することにより、他の基地局や移動局への干渉を防ぎ、目的とする移動局に対しても送信電力を低減することが可能である。
【００３７】
（実施の形態３）
図８は本発明の第３の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図である。図において、８１はセクタアンテナ、８２はアンテナ切り替え手段、８３は周波数変換手段である。図９は、アンテナ切り替え手段の動作を表す概念図である。図において、９１Ａ、９１Ｂ、９１Ｃ、９１Ｄ、９１Ｅ、９１Ｆはセクタアンテナのアンテナ素子、９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃ、９２Ｄ、９２Ｅ、９２Ｆはセクタアンテナのアンテナ素子のアンテナ指向性、９３はアレーアンテナ、９４は移動局である。
【００３８】
以上のように構成された電波到来方向推定アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。図８において、到来方向追従手段１６が移動局の存在する方向を推定し、その結果はアンテナ切り替え手段８２に与えられる。アンテナ切り替え手段はセクタアンテナ８１のアンテナ素子のうち、その指向性が移動局の方向にボアサイトとなるアンテナ素子を選択する。図９の例において、セクタアンテナ９２は６素子のアンテナ素子から構成されている。各アンテナ素子は９２Ａから９２Ｆで示されているように６０度の範囲の電波を送信または受信できるアンテナ指向性パターンを有している。この時に、アレーアンテナ９３で受信した電波から移動局の方向を推定した後アンテナ切り替え手段は、移動局９４の方向にその指向性のボアサイトが向いている９２Ａのアンテナ素子を選択することにより、移動局からの電波を受信または移動局へ送信を行う。図８において周波数変換手段８３および周波数変換手段６２は復調および変調を行うために、周波数変換手段１２とは別に備えているものである。
【００３９】
以上のように本実施の形態の発明によれば、到来方向追従手段が推定した移動局の方向に基づいて、セクタアンテナを切り替えて送信または受信を行うため、デジタル信号処理が可能な速度に比較して高速な伝送を行う場合にも、アンテナの指向性を制御して高信頼性のデータ伝送を行うことができる。
【００４０】
（実施の形態４）
図１０は本発明の第４の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図である。図において１０１は位相補正手段、１０２は基準送信機である。図１１は位相補正の原理を示す図である。
【００４１】
以上のように構成された電波到来方向推定アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。図１０において、アレーアンテナ１１の正面におかれた基準送信機１０２からの送信試験信号をアレーアンテナが受信する。アレーアンテナの各素子は基準送信機からの行路長によって伝搬位相差が存在する。図１１は一例として３素子のアレーアンテナ１１が、基準送信機１０２からの信号を受信し、位相補正をする様子を示している。アレーアンテナが３素子の場合には、基準送信機はアレーアンテナの中心のアンテナ素子１１１とお互いの正面に対向するように配置される。このとき基準送信機とアレーアンテナの中心の素子との距離予め分かっているものとして、その値をＬ０とする。アレーアンテナのアンテナ素子間は距離ｄがあるため、基準送信機からアレーアンテナの他の素子１１２、１１３までの距離Ｌ１、Ｌ２はＬ０と異なる値となる。それらは、Ｌ１×Ｌ１＝Ｌ０×Ｌ０＋ｄ×ｄ、Ｌ２×Ｌ２＝Ｌ０×Ｌ０＋ｄ×ｄの関係で得られる。それらの、位相差は、アレーアンテナの中心のアンテナ素子を基準とし、電波の伝搬波長をλとすればアンテナ素子１１２では（Ｌ１―Ｌ０）／λ、アンテナ素子１１３では（Ｌ２−Ｌゆ4f）／λとなる。従って、アナログデジタル変換後の測定データをアンテナ素子間で比較し、その値を補正値として用いる。
【００４２】
以上のように本実施の形態による発明によれば、基準送信機からの送信試験信号により位相の補正を行うため、アンテナ素子やＲＦ回路等の素子のバラツキによる振幅、位相のずれを補正することができ、到来方向推定の精度を高精度にすることが可能である。
【００４３】
（実施の形態５）
図１２は本発明の第５の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図である。図において１２１は送信データ生成手段、１２２は移動局、１２３は復調手段、１２４は方位磁石、１２５は基地局方位判定手段、１２６はアンテナ、１２７は通知手段である。以上のように構成された電波到来方向推定アンテナ装置について、以下にその動作を説明する。図１２において、到来方向追従手段１６が推定した移動局の方向は、送信データ生成手段１２１により例えば「北」の方向との隔たりの角度データとして生成され、変調手段６５に送られ送信信号として送信アレーアンテナとして６１より送出される。移動局１２２では、アンテナ１２６で信号を受信し、復調手段１２３により移動局の方向データを復調する。一方、移動局には方位磁石１２４を備えているため例えば「北」の方向を知ることができ、これら２つの情報から基地局判定手段１２５は基地局の方向を判定しその結果を通知手段１２７が通知する。移動局は、携帯機のように可搬のものであればそれを持つ人間がアンテナを基地局判定手段の情報に基づいて基地局の方向に向ける。
【００４４】
以上のように本実施の形態による発明によれば、移動局のようにスペースやコストの問題から到来方向推定手段を備えることができない場合でも、基地局の方向を判定することができ、その情報に基づいてアンテナを基地局の方向に向けることができるので、高信頼性のデータ伝送を実現できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、基地局の近傍を高速に移動する移動体に対しても、到来方向推定およびアンテナ指向性パターンの制御の実時間処理を可能とし、高信頼性のデータ伝送を行うとともに、他の基地局や移動局への干渉や送信電力の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図
【図２】到来方向推定手段、到来方向追従手段の具体的な動作を表す図
【図３】ビーム形成手段の具体例を示す図
【図４】ダウンサンプリング手段の第１の具体例を示す図
【図５】ダウンサンプリング手段の第２の具体例を示す図
【図６】第２の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図
【図７】送信ビーム形成手段の具体例を示す図
【図８】第３の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図
【図９】アンテナ切り替え手段の動作を表す概念図
【図１０】第４の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図
【図１１】位相補正の原理を示す図
【図１２】第５の実施の形態による電波到来方向推定アンテナ装置のブロック結線図
【符号の説明】
１１ アレーアンテナ
１２ 周波数変換手段
１３ アナログデジタル変換手段
１４ ダウンサンプリング手段
１５ 到来方向推定手段
１６ 到来方向追従手段
１７ ビーム形成手段
１８ 復調手段
６１ 送信アレーアンテナ
６３ デジタルアナログ変換手段
６４ 送信ビーム形成手段
６５ 変調手段
８２ アンテナ切り替え手段
Claims (11)
- 基地局に移動局からの送信電波を受信する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各アンテナ素子での受信ＲＦ周波数信号をそれぞれ中間周波数信号に周波数変換する周波数変換手段と、前記中間周波数信号をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換手段と、前記アナログデジタル変換手段のデジタルデータをさらに低い周波数でサンプリングするダウンサンプリング手段と、前記アナログデジタル変換手段の変換したデジタルデータを用いて電波の到来方向を推定する到来方向推定手段と、前記到来方向推定手段の推定結果を初期値として用い前記ダウンサンプリング手段によってより低い周期でサンプリングされたデジタルデータを用いて移動局の電波の到来方向の変化を推定することにより方向を逐次決定する到来方向追従手段とを有することを特徴とする電波到来方向推定アンテナ装置。
- 前記到来方向追従手段の推定結果を用いて各アンテナ素子の受信信号に対する重みづけ係数を決定し前記ダウンサンプリング手段が第２のサンプリング周波数で変換したデジタルデータに重みづけ係数を乗算および乗算結果をすべてについて加算処理を行うことにより移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける受信ビーム形成手段を有することを特徴とする請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置。
- 前記ビーム形成手段の処理結果のデータから復調を行う復調手段を有することを特徴とする請求項２記載の電波到来方向推定アンテナ装置。
- 送信すべきデジタルのベースバンド信号の変調信号を発生する変調手段と、前記受信ビーム形成手段が決定した各アンテナ素子に対応する重みづけ係数をベースバンド信号に乗算することにより重みづけ送信信号を生成し移動局の方向にアンテナ指向性ビームを向ける送信ビーム形成手段と、前記重みづけされた送信信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換手段と、アナログ信号を送信ＲＦ周波数信号に周波数信号に変換する周波数変換手段とを有し送信ＲＦ周波数信号を前記アレーアンテナから送出することを特徴とする請求項２記載の電波到来方向推定アンテナ装置。
- アナログデジタル変換手段が復調可能変換周波数より低い変換周波数で変換を行い、複数のアンテナ素子から成りすべてのアンテナ素子により全方向の指向性を有するセクタアンテナと、前記到来方向追従手段の推定結果を用いて移動局の存在する方向に指向性を持つ前記セクタアンテナのアンテナ素子を選択するアンテナ選択手段と、前記周波数変換手段により変換された中間周波数信号を復調する復調手段を有することを特徴とする請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置。
- 前記送信ＲＦ周波数信号を送信する送信用アレーアンテナを備えることを特徴とする請求項４記載の電波到来方向推定アンテナ装置。
- 送信ＲＦ周波数信号と受信ＲＦ周波数信号を時分割で切り替えるスイッチを有することを特徴とする請求項４記載の電波到来方向推定アンテナ装置。
- 前記ダウンサンプリング手段の１種類の変換周波数を中間周波数の（Ｍ＋０．２５）分の１（Ｍは整数）とすることを特徴とする請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置。
- 前記ダウンサンプリング手段の１種類の変換周波数を（中間周波数＋（帯域幅／２））の（Ｍ＋０．２５）分の１（Ｍは整数）とし、前記アナログデジタル変換手段の変換周波数を前記ダウンサンプリング手段の１種類の変換周波数の１６倍とすることをすることを特徴とする請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置。
- 前記アレーアンテナの正面にある基準送信機からの試験信号を前記アレーアンテナが受信し前記アナログデジタル変換手段の各アンテナ素子に対応するデジタルデータの位相振幅を比較し行路差を含めた補正値を計算しデジタルデータに加えるデータ補正手段を有し、前記到来方向推定手段および前記到来方向追従手段がこのデジタルデータを用いて到来方向を推定することを特徴とする請求項１記載の電波到来方向推定アンテナ装置。
- 基地局に推定した移動局の方向データを変調手段に与える送信データ生成手段を備え、移動局に基地局から送られた信号を受信するアンテナと、移動局の方向データを復調する復調手段と、方位磁石と、移動局の方向データと方位磁石から基地局の存在する方向を判定する基地局方位判定手段と、判定した基地局方位を通知する通知手段を有することを特徴とする請求項４記載の電波到来方向推定アンテナ装置。
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