JP4708918B2 - アレーアンテナ装置の制御方法 - Google Patents
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しかしながら、複数の指向性可変アンテナ素子からなるアレーアンテナ装置であって、各指向性可変アンテナ素子の指向性を制御しつつ、それらの受信信号に対して重み付け合成するとのアレーアンテナ装置の統合的な制御方法についてはまだ報告がない。
この問題に対し、アレーアンテナの各アンテナ素子に簡易型指向性制御素子を用いることで、同一の伝搬環境において、チャネル行列の相関行列による固有値・固有ベクトルの状態を変化させることができ、従来の各アンテナ素子に指向性不変アンテナ素子を用いた場合と比べて、通信品質を向上できることが期待できる。また、電波伝搬環境が刻々と変化するような移動通信においても、各アンテナ素子の指向性を適応的に制御することで通信品質の向上が期待できる。
しかしながら、前述のように複数の指向性可変アンテナをアンテナ素子とするアレーアンテナの統合的な制御方法は報告されていない。
すなわち、本発明の第1の手段は、各々の指向性を独立に制御可能な複数の指向性アンテナ素子と、前記複数の指向性アンテナ素子毎に、その受信信号に対してそれぞれ決定された重み係数を乗ずる複数の乗算器と、前記複数の乗算器の出力を加算する加算器とを有するアレーアンテナ装置の制御方法であって、前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性を、それぞれ、独立して変化させて受信を行い、前記複数の指向性アンテナ素子による受信信号によって構成される相関行列における、固有値または固有ベクトルを変数とする目的関数が最大または最小となる前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性を決定する手順と、当該決定された前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性における前記複数の受信信号に対する重み係数として、前記固有値または固有ベクトルの値に応じた値を決定する手順とを含むことを特徴とするアレーアンテナ装置の制御方法である。
受信信号の相関行列による固有値又は固有ベクトルを変数とする目的関数とする規範を用いることで、各アンテナブランチの指向性を、それぞれ、独立して変化させた統合的な制御によって最適な状態にすることができる。このため、各指向性可変アンテナ素子で個別に制御を行うよりも装置が小規模で済み、また、自己矛盾のない制御が可能である。
このとき、参照信号などの予備知識を必要としないので、ブラインド処理が可能である。
受信電力の相関行列から求められる固有値は重み付け合成後の電力をあらわしている。本手段によれば、最大固有値を最大にするように各指向性アンテナの指向性を制御するため、それぞれの指向性可変アンテナ素子がもっとも強い1波に対して電力を大きくする操作を行うことに等しく、重み付け合成後の合成信号は、指向性不変のアンテナで構成される通常のアダプティブアレーと比べてSN比が高いものとなる。
本手段では、最小固有値を最大にするように各指向性アンテナの指向性を制御するため、それぞれのアンテナ素子がもっとも弱い到来波に対して電力を大きくする操作を行うことに等しい。
また、空間相関がない程度にアンテナ素子を離して設置することで、高いダイバーシチ効果を得ることができる。
図1は本発明に係る第1の実施例であるアレーアンテナ装置100の構成を示す構成図である。アレーアンテナ装置100は、図1に示すように、指向性制御可能なm0個の指向性可変アンテナ素子AN−m(mはm0以下の自然数、以下同じ)と、無線受信機R−mと、適応制御コントローラC1と、重み付け装置(乗算器)W−mと、信号合成装置(加算器)p1とを備えている。尚、無線受信機R−mは低歪増幅器(LNA)、ダウンコンバータ(D/C、I相/Q相の2信号を出力するもの)、アナログディジタル変換器(A/D)により構成されている。図1のアレーアンテナ装置100は、適応制御コントローラC1によって、各アンテナ素子の指向性および乗算器で乗ずる重み係数を制御することで、所望波に対して高いSINRを実現するものである。
図2及び図3は制御アルゴリズムの概念を示すフローチャートである。図2と図3の違いは、目的関数を最大にする場合を図2として示し、目的関数を最小にする場合を図3として示している。尚、本実施例では概念的に図4のような「指向性パタン」を想定するため、指向性を「指向性パタン」と呼び、「アレーとして組み合わせる各アンテナの指向性のセット」を「指向性パタンのセット」と呼ぶこととする。
図2のフローチャートを、例えば目的関数Jとしてm0個の受信信号ym(t)によるm0行m0列の相関行列の所定番目に大きい固有値であって、当該固有値を最大とする場合の指向性パタンのセット{Xm,k}を求める場合として説明する。
図3のフローチャートについても、目的関数Jを最小とする指向性パタンのセットXmin={Xm,k}とその際のm0個の受信信号ym(t)による相関行列の固有ベクトルemin(次数はm0)を求めるとの差異を除けば、本質的には図2とほとんど同一であり、図3のステップ300〜318は、図2のステップ200〜218に対応し、枝分かれや順序づけも対応する。
まず図2に示す、目的関数の最大値を求める制御方法について述べる。簡単のため、アンテナ素子数m0=2でそれぞれが同一の特性をもつものとし、各アンテナの指向性をk0=5とした。k0=1〜5の水平面指向性をそれぞれ図4.A〜図4.Eに示す。図4.Aはオムニパタンであり、図4.B、図4.C、図4.D、図4.Eはそれぞれ0deg、90deg、180deg、270degにピークを持つビームパタンである。図5に示すように、ふたつのアンテナ素子をk1、k2とし、波長λだけ離して設置した。ここで、x軸正方向(点k1と点k2を結ぶ線分の垂直二等分線)を0degとした。受信波としては、25degの方向から1波が到来しているとし、目的関数Jを最大固有値とする条件、即ち最大比合成となるようにシミュレーションを行った。このときの各指向性パタンのセットにおける最大固有値λMAXを表1に示す。ただし、アンテナ素子k1、k2における指向性をそれぞれX1、X2とし、結果を(X1,X2)=(1,1)のときの値で規格化した。
同様にして、150degと270degの方向から、それぞれ無相関の2波が到来しているとし、図2の目的関数Jに、雑音成分を示す固有値を除いた最小固有値(ここでは第2最大固有値)を与えた。このときの各指向性パタンのセットにおける雑音成分を示す固有値を除いた最小固有値λminを表2に示す。
図6は本発明に係る第2の実施例であるアレーアンテナの制御装置200の構成を示す説明図である。本構成は、第1の実施例における、指向性制御可能なm0個のアンテナ素子AN−m(mはm0以下の自然数)を、可変リアクタンス素子を装荷したm0個の指向性可変アンテナ素子ANp−mに置き換えた構成である。適応制御コントローラC1から複数の可変リアクタンス素子のリアクタンス値を与えることにより、各アンテナの指向性を連続的に制御することができる。
図7のフローチャートを、例えば目的関数Jとしてm0個の受信信号ym(t)によるm0行m0列の相関行列の所定番目に大きい固有値であって、当該固有値を最大とする場合のm0k0個のリアクタンス値xm,kの組{xm,k}を求める場合として説明する。尚、m0k0個のリアクタンス値xm,kを、1番からm0k0(=n0)番まで番号を振って、単にxn(nはn0以下の自然数)と示す。同様にΔxm,kを、単にΔxnと示す。尚、全てのΔxnを同一の微小値Δxと設定しても良い。また、リアクタンス値xm,kの組{xm,k}、即ちリアクタンス値xnの組{xn}のL回目の更新を単にx(L)と示す。x(L)はm0k0個のリアクタンス値から成るm0k0次のベクトルである。また、リアクタンス値xnの組{xn}の初期値は、全要素が各リアクタンス値xm,kの最低値、例えば0であるとする。また、比較のため、各リアクタンス値xm,kの取りうる最大値を別途記憶しておく。
可変リアクタンス素子を装荷した指向性可変アンテナ素子ANp−1及至ANp−mに、図12に示す7素子エスパアンテナ10を2ユニット用い、m0=2、k0=6としてシミュレーションを行った。各アンテナの配置は実施例1の場合と同様とし、それぞれのアンテナ素子を図5におけるk1,k2の配置とした。また、簡単のため、リアクタンス値xm,kの初期値(最小値)は0とした。
次に、同様の到来環境において、目的関数Jをm0個の受信信号の相関行列の固有値の、雑音成分を除く最小固有値として、目的関数Jを最大とする規範において図7の最急降下法を行った。収束状態における、k1,k2におけるパタンをそれぞれ図9.A、図9.Bに示す。到来する2波の到来方向である0degと150degとにビームを向けており、同時に受信していることが確認できた。
実施例2では各アンテナ素子に図12のアンテナを用いたが、他の構造のアンテナ素子を用いてもよく、例えば、図10に示す平面構造可変リアクタンス装荷指向性制御アンテナ20を用いてもよい。これは本願の請求項3に言う主のループ配線と従のループ配線とから成るアンテナ素子に対応する。図10の平面構造可変リアクタンス装荷指向性制御アンテナ20は本願出願人らによる特願2005−159014で述べている。以下、簡単に説明する。
図10の符号d1aは、無給電素子P11aの中心点Caから主のループ配線の中心点C0までの距離を示している。また同様に、符号d1bは、無給電素子P11bの中心点Cbの中心点C0までの距離を示している。より詳しく言えば、給電素子A11に対して、それぞれの従のループ配線(無給電素子P11aおよび無給電素子P11b)は、所定の基準となる1波長λに対して、y軸方向においてはd1a=d1b=λ/4となる様に配置されており、かつ、z軸方向においてはd2=0.0064λとなる様に基準平面Σ0から離して設置されている。
これらの構成により、各ループ配線における各リアクタンスの作用をも加味した各ループの実効長は、各リアクタンス素子X1〜X5の各リアクタンス値の可変制御に基づいて、何れも本アンテナ100が取り扱う目的の電磁波の1波長に一致する様に可変制御することができる。
また、以上の実施形態においては給電素子A11、無給電素子P11a、P11bを多層構造としたが、それぞれの素子が交点を持たなければよく、同一平面で構成し、例えばブリッジをつかって交点を持たないように構成してもよい。
線路長が1波長λであるループアンテナA11は、近似的に給電部F0および可変リアクタンス素子X1を設置している位置に微小ダイポールアンテナが存在するとみなすことができる。同様に、無給電素子P11aおよびP11bにおいても、可変リアクタンス素子X2及至X5を設置している位置を微小ダイポールアンテナが存在するとみなすことができる。このためアンテナ100は6素子微小ダイポールアレイとして、従来のエスパアンテナの理論を適用することができる。
また、各リアクタンス素子のリアクタンス値を適切に設定することによりアンテナの指向性(放射パターン)を自在に制御可能なことが判明している。
以上の通り、本願発明のアレーアンテナ装置の制御方法によれば、例えば最大電力の到来波の方向に各指向性可変アンテナ素子のビームを揃え、又は限定された指向性パタンのうちの中でより近い指向性パタンとし、且つ矛盾のない最大比合成を行うことが可能となる。更に、最小電力の到来方向にも少なくとも1本の指向性可変アンテナ素子のビームを揃え、又は限定された指向性パタンのうちの中でより近い指向性パタンとし、且つ矛盾のない最大比合成を行うことが可能となる。これは、最大値を探索する目的関数として、受信信号の相関行列のどの固有値について着目するかによるものである。例えば実施例2の最急降下法によれば、受信信号の相関行列の最大固有値に着目すれば、全ての指向性可変アンテナ素子のビームが最大電力の到来波の方向に向かって集束し、受信信号の相関行列の最小固有値に着目すれば、各指向性可変アンテナ素子のビームがそれぞれの到来波の入力電力の和を大きくするように決定される。また、後段の重み付けによって各波の分離受信が可能である。
また、本実施例2ではリアクタンスの初期値をすべて0とし、最急勾配法のみを用いて制御を行ったが、あらかじめ代表的なパタンを与えるリアクタンス値をいくつか用意しておき、実施例1のようにまずそれらの組み合わせの中で目的関数が最大または最小となるものを調べ、そのときのリアクタンス値を初期値として反復的な非線形計画法を行ってもよい。
その他に、各アンテナ素子において到来波推定を行い、その情報に基づいて到来波に対して指向性を向けるようなリアクタンス値を計算し、初期値として上記反復的な非線形計画法を行ってもよい。
R−m:無線受信機
W−m:重み付け装置
C1:適応制御コントローラ
p1:信号合成装置
k1,k2:指向性可変アンテナ素子
ANp−m:可変リアクタンス素子を装荷した指向性可変アンテナ素子
A11:給電点を含む金属ループ配線
P11a,P11b:給電点を含まない金属ループ配線
A0:給電点
ANn−m:指向性不変アンテナ素子
Claims (12)
- 各々の指向性を独立に制御可能な複数の指向性アンテナ素子と、前記複数の指向性アンテナ素子毎に、その受信信号に対してそれぞれ決定された重み係数を乗ずる複数の乗算器と、前記複数の乗算器の出力を加算する加算器とを有するアレーアンテナ装置の制御方法であって、
前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性を、それぞれ、独立して変化させて受信を行い、前記複数の指向性アンテナ素子による受信信号によって構成される相関行列における、固有値または固有ベクトルを変数とする目的関数が最大または最小となる前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性を決定する手順と、
当該決定された前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性における前記複数の受信信号に対する重み係数として、前記固有値または固有ベクトルの値に応じた値を決定する手順とを含むことを特徴とするアレーアンテナ装置の制御方法。 - 前記複数の指向性アンテナ素子のそれぞれが、
1つの給電素子と、前記給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の無給電素子と、前記無給電素子に装荷された複数の可変リアクタンス素子から構成され、
前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより指向性アンテナ素子の指向性を制御可能であることを特徴とする請求項1に記載のアレーアンテナ装置を制御するための制御方法。 - 前記複数の指向性アンテナ素子のそれぞれが、
2点1組の給電点から成る給電部を備えて1つの基準平面上に配置された1つの主のループ配線と、前記主のループ配線と平行または同一平面上に配置された、給電点を備えない少なくとも1つの従のループ配線とを有するアンテナ素子であって、
各前記ループ配線は、それぞれ互いに交点及び接点を持たず、
前記従のループ配線に囲まれた平面領域の中心点は、前記主のループ配線に囲まれた平面領域の中心点を通る、前記基準平面に垂直な1つの垂直断面上に位置しており、
任意の1つの前記ループ配線によって囲まれる平面領域は、前記基準平面の法線方向から見たときに、隣り合う他の前記ループ配線によって囲まれる他の平面領域と部分的に重なって見え、
前記従のループ配線は、前記垂直断面上の2箇所にそれぞれ可変リアクタンス素子を有し、
前記主のループ配線は、前記垂直断面上の1箇所に可変リアクタンス素子を有し、前記垂直断面上の他の1箇所に前記給電部を有するものであり、
前記給電点を中心とする主のループ配線の半分を前記給電素子、前記可変リアクタンス素子を中心とする主のループ配線及び従のループ配線を前記複数の無給電素子とみなし、
前記複数の可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより指向性を変化させることを特徴とする請求項2に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。 - 前記複数の指向性アンテナ素子の各指向性を決定する手順は、
前記可変リアクタンス素子の各リアクタンス値における前記目的関数値に基づいて、反復的な非線形計画法を用いて前記目的関数値を最大または最小にする各指向性を決定する手順であることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。 - 前記複数のアンテナ素子それぞれに設けられた複数の可変リアクタンス素子のリアクタンスセット値を所定の数だけ用意し、前記リアクタンスセット値をアンテナ素子ごとに順次切替えて、各リアクタンス値に対して前記目的関数を計算する手順と、
前記目的関数値を最大または最小にするための前記リアクタンス値を設定する手順とを有することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。 - 前記目的関数が前記固有値の最大固有値であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
- 前記目的関数が前記固有値の中で、雑音電力よりも大きい最小固有値であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
- 前記アレーアンテナ装置は移動体における通信に用いられるものであって、
前記移動体の移動速度又は位置情報に応じて、指向性及び重み付けの更新頻度を変化させることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。 - 前記アレーアンテナ装置は移動体における通信に用いられるものであって、
前記移動体の移動速度又は位置情報に応じて、非線型計画法におけるリアクタンス値の変化幅の大きさを変化させることを特徴とする請求項4に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。 - 水平面内の任意の方向に対し、当該方向にビームを向けることが可能である指向性アンテナ素子が複数の指向性アンテナ素子全体のうちに1個以上存在することを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
- 前記指向性を制御可能な複数の指向性アンテナ素子が、それぞれ通信に用いられる波長λ以上離れて設置されていることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
- 前記指向性を制御可能な複数の指向性アンテナ素子を、
前記指向性を制御可能な1個以上の指向性アンテナ素子と、指向性が固定された1個以上のアンテナ素子とを含む複数のアンテナ素子に置き換えたことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載のアレーアンテナ装置の制御方法。
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