JP4767880B2 - 通信装置とその通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数システムを同一周波数で運用する無線通信システムに係り、優先権を持たない新規システム（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム）が、優先権を持つ従来システム（Ｐｒｉｍａｒｙシステム）から干渉を除去しながら、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム間の通信劣化を補償する通信装置とその通信方法に関する。

近年、携帯電話や、無線ＬＡＮなどの普及により、限られた周波数帯域において、できるだけ高速な伝送を行うための技術が検討されている。限られた帯域において高速伝送を実現する手段としては、近年、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）技術が注目を集めている。ＭＩＭＯとは、送信側と受信側とに、それぞれアレーアンテナを用い、送信側においては、アンテナ毎に異なるデータを送信し、受信側においては、何らかの干渉除去技術・復号技術により、異なる信号を復元することで、単一アンテナ同士の送受信に比べ、同一周波数で著しく伝送速度を向上する技術である。既に、無線ＬＡＮシステムなどにおいて導入されている。

しかしながら、ＭＩＭＯ技術においては、送受信のアンテナ数が高速伝送のキーとなる。したがって、非常に高い周波数利用効率を実現するためには、かなりのアンテナ素子数を必要とする。小型の端末を考えた場合、アンテナ素子数の増加は、ハードウエア規模の向上になるため、望ましくない。

このＭＩＭＯ技術とは別の方法で、周波数の有効利用を図る手段として、コグニティブ（Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ）無線技術が注目されている（例えば、非特許文献１参照）。該コグニティブ無線技術とは、無線機が周囲の電波環境を認識し、適切な周波数帯域を選択して利用することにより、空いている周波数帯域を有効に活用する技術である。コグニティブ無線により、通常注目されていなかった周波数や、時間を有効に活用できるため、単位面積あたりの周波数を大幅に向上させることができる。

図１３は、コグニティブ無線技術の概要を説明するための概念図である。図１３において、１−１、１−２は、２つの優先システム（Ｐｒｉｍａｒｙシステム）であり、２−１〜２−６は、複数のコグニティブシステム（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム）である。また、３は、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの通信可能領域である。４−１、４−２は、各々、Ｐｒｉｍａｒｙシステム１−１、１−２のアンテナの指向性である。

コグニティブ無線では、元々、ある通信帯域を使用するＰｒｉｍａｒｙシステム１−１、１−２と、該Ｐｒｉｍａｒｙシステム１−１、１−２が使用していない周波数、時間などを監視して、この情報を基に通信を行うＳｅｃｏｎｄａｒｙシステム２−１〜２−６とが存在する。基本的には、Ｐｒｉｍａｒｙシステム１−１、１−２は、優先的に与えられた通信帯域を使用することが可能であり、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム２−１〜２−６は、自分自身の通信によって、Ｐｒｉｍａｒｙシステム１−１、１−２に干渉を与えることにより、Ｐｒｉｍａｒｙシステム１−１、１−２の効率を低下させることがあってはならない。また、通常、Ｐｒｉｍａｒｙシステム１−１、１−２は、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム２−１〜２−６の存在を認識することはできない。
S. Haykin, “Cognitive radio: Brain-empowered wireless communications”, vol.23, no.2, pp.201-220, Feb. 2005.

上述した環境において、基本的には、Ｐｒｉｍａｒｙシステム１−１、１−２からの干渉波を除去するとともに、Ｐｒｉｍａｒｙシステム１−１、１−２へ干渉を与えなければ問題なく、コグニティブ無線を実現することができる。

図１４は、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの干渉を回避、もしくはＰｒｉｍａｒｙシステムへの与干渉を防ぐための、アレーアンテナによる干渉除去を説明するための概念図である。図において、送信局５、６及び受信局７は、例えば、図１３に示すＰｒｉｍａｒｙシステム１−１、１−２などのＰｒｉｍａｒｙシステムである。また、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム８は、複数のノードを含む。ここで、送信局５、６からＳｅｃｏｎｄａｒｙシステム８に対する干渉波を回避することを考える。Ｐｒｉｍａｒｙシステム５、６からの干渉を回避する手段としては、アレーアンテナを用いたアダプティブアレーが知られている。

図１５は、アダプティブアレーの基本構成を示すブロック図である。図１５において、送信局１０は、例えば、図１４に示す送信局５、６に相当し、干渉源１１は、例えば、送信局６に相当し、受信局１２は、図１４に示すＳｅｃｏｎｄａｒｙシステム８に含まれるいずれかのノードに相当する。図１５に示すように、アダプティブアレーでは、制御回路１６による制御の下、複数本のアンテナ１３−１〜１３−Ｎに入力される信号に、重み付け器１４−１〜１４−Ｎにより、適切な重み付け値（ウエイト）を乗算し、加算器１５で合成することで、干渉波を除去する技術である。この重み付けの設定方法については、様々な方法が提案されており、詳しくは、文献１（菊間、アレーアンテナによる適応信号処理、科学技術出版社、１９９８）などに開示されている。このアダプティブアレーは、受信時に用いれば、他システムからの干渉波を除去可能であるとともに、送信時に用いれば、他システムへの干渉を回避することができる。

しかしながら、アダプティブアレーを用いても、以下の問題が生じる。図１６と図１７を参照して、この問題点について説明する。図１６は、問題点を示すために、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの干渉が存在する環境を想定して計算したＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの通信品質を測定するための概念図である。図１７は、その結果の一例を示す概念図である。図１６では、簡単化のために、１局のＰｒｉｍａｒｙシステムからの干渉を考えている。また、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムは、３つの送受信局（ノード＃１〜＃３）を持ち、これらがそれぞれ通信を行うことを考えている。

図１４に示すように、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム８の各ノードが干渉波を除去できれば、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム８は、Ｐｒｉｍａｒｙシステム５、６と同一の周波数を用いて通信することができる。Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム８は、２素子のアレーアンテナを用いるものとした。この計算では、干渉波のチャネル応答をＳｅｃｏｎｄａｒｙシステム８の各ノード＃１〜＃３が推定し、ゼロフォーシング規範に基づいて干渉波を除去するウエイトを求めた。

図１７には、各ノード＃１〜＃３が形成する干渉除去のためのアレーアンテナの指向性とノード間の通信におけるチャネル容量Ｒを示している。チャネル容量Ｒは、Ｒ＝ｌｏｇ_２（１＋ＣＩＮＲ）の関係から求めた。ここで、ＣＩＮＲ（通信品質：Carrier-to-Interference plus Noise Ratio）は、所望波電力と干渉波＋雑音電力との比を表す。この値が高いほど、良好な通信品質であることを示す。この事実は、例えば、前述した文献１などに開示されている。図１７に示すように、干渉波に形成したヌルと鏡像となるグレーティングヌルの方向に、通信相手のノードが位置する場合（図１７では、ノード＃１が送信、ノード＃３が受信となる通信）において特性が大きく劣化する。図１７に示すＦｉｊは、受信ノード＃ｉと送信ノード＃ｊとの間のアレーアンテナの応答を表している。ノード＃１からノード＃３への通信では大きく、このレスポンスが小さくなっている。よって、このグレーティングヌルがＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの特性劣化に悪影響を与えていることが確認できる。

この問題を解決することが必要となるが、２素子に限らず、直線上に配置されるリニアアレーを用いた場合には、干渉波にヌルを形成すると、アレーアンテナを介して、その反対側には、必ずヌルが形成される。これを回避するためには、円形アレーや、矩形アレーを用いることが提案されている。しかしながら、全体の開口がリニアアレーに比べ、結局小さくなるために、できるだけ少ない素子で干渉除去能力を向上させるためには、リニアアレーが基本的には有効である。したがって、リニアアレーを用いて、グレーティングによるＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの通信品質の劣化を補償する技術が必要となる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、より容易な方法で、かつ、より簡易なハードウエアで、通信品質を改善することができる通信装置及び通信方法を提供することにある。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、それぞれ２つ以上のアンテナ素子を複数の異なる軸上に直線状に配置し、それぞれ異なる方向にグレーティングヌルを形成する複数のアレーアンテナと、前記複数のアレーアンテナのいずれかを選択する選択手段と、前記選択手段により選択されたアレーアンテナを構成するアンテナ素子がそれぞれ接続される複数の送受信機と、前記送受信機に接続され、受信信号の情報から干渉信号をゼロにするように、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子に対する重み付け値を算出する重み付け計算手段と、前記重み付け計算手段で算出された重み付け値と前記送受信機により受信された受信信号とを乗算し、該重み付けされた受信信号を合成する重み付け手段と、前記重み付け手段により合成された出力に基づいて通信品質を判定し、通信品質の良好なアレーアンテナを選択するように、前記選択手段の選択動作を制御する通信品質判定手段とを具備することを特徴とする通信装置である。

本発明は、上記の発明において、前記複数のアレーアンテナは、２つのアンテナ素子を直線状に配置した第１のアレーアンテナと、前記２つのアンテナ素子の１つのアンテナ素子を共有し、かつ、前記第１のアレーアンテナと略９０度異なる方向に、直線状に配置される２つのアンテナ素子からなる第２のアレーアンテナとからなり、前記選択手段は、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとで共有されていない２つのアンテナ素子うち、いずれか一方のアンテナ素子を選択することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記複数のアレーアンテナは、正三角形の頂点に配置された３つのアンテナ素子のうち、前記正三角形の各頂点に配置された２つのアンテナ素子の組み合わせからなる、各々、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなり、前記選択手段は、前記正三角形の頂点に配置された３つのアンテナ素子のうち、いずれか２つのアンテナ素子を選択することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記複数のアレーアンテナは、正三角形の頂点にそれぞれ配置された３つのアンテナ素子及び正三角形の中心に配置されたアンテナ素子のうち、前記正三角形の中心に配置されたアンテナ素子と、前記正三角形の各頂点に配置されたアンテナ素子との組み合わせからなり、それぞれが略１２０度の角度を成した、各々、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなり、前記選択手段は、前記正三角形の頂点に配置された３つのアンテナ素子のうち、いずれか１つのアンテナ素子を選択することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記複数のアレーアンテナは、略９０度の角度を成したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上にそれぞれ配置された３つのアンテナ素子及びｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の原点位置に配置されたアンテナ素子のうち、前記原点位置に配置されたアンテナ素子と、前記ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上に配置されたアンテナ素子との組み合わせからなり、それぞれが略９０度の角度を成した、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなり、前記選択手段は、前記ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上に配置された３つのアンテナ素子のうち、いずれか１つのアンテナ素子を選択することを特徴とする。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、送信局と受信局との間で通信を行う通信方法であって、それぞれ２つ以上のアンテナ素子を複数の異なる軸上に直線状に配置し、それぞれ異なる方向にグレーティングヌルを形成する複数のアレーアンテナ毎に、各アンテナ素子で受信された受信信号から伝搬チャネル及び受信電力を測定するステップと、前記伝搬チャネルから干渉除去を行うための、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子に対する重み付け値を算出するステップと、前記受信信号と前記重み付け値とを乗算し、複数のアレーアンテナ毎に合成するステップと、前記複数のアレーアンテナ毎に合成された信号に基づいて、通信品質の良好なアレーアンテナを特定するステップと、前記特定されたアレーアンテナを通信に用いるアレーアンテナとして選択するステップとを含むことを特徴とする通信方法である。

本発明は、上記の発明において、前記複数のアレーアンテナは、２つのアンテナ素子を直線状に配置した第１のアレーアンテナと、前記２つのアンテナ素子の１つのアンテナ素子を共有し、かつ、前記第１のアレーアンテナと略９０度異なる方向に、直線状に配置される２つのアンテナ素子からなる第２のアレーアンテナとからなることを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記複数のアレーアンテナは、正三角形の頂点に配置された３つのアンテナ素子のうち、前記正三角形の各頂点に配置された２つのアンテナ素子の組み合わせからなる、各々、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなることを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記複数のアレーアンテナは、正三角形の頂点にそれぞれ配置された３つのアンテナ素子及び正三角形の中心に配置されたアンテナ素子のうち、前記正三角形の中心に配置されたアンテナ素子と、前記正三角形の各頂点に配置されたアンテナ素子との組み合わせからなり、それぞれが略１２０度の角度を成した、各々、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなることを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記複数のアレーアンテナは、略９０度の角度を成したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上にそれぞれ配置された３つのアンテナ素子及びｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の原点位置に配置されたアンテナ素子のうち、前記原点位置に配置されたアンテナ素子と、前記ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上に配置されたアンテナ素子との組み合わせからなり、それぞれが略９０度の角度を成した、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなることを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記一連のステップを手順Ａとし、該手順Ａを受信局で行い、前記選択されたアレーアンテナによる最大の通信品質が所定のしきい値以下である場合には、前記送信局と前記受信局との間に配置された中継局で、前記送信局との間で前記手順Ａを行い、通信品質の良好なアレーアンテナを特定する第１のステップと、前記受信局で、前記中継局との間で前記手順Ａを行い、通信品質の良好なアレーアンテナを特定する第２のステップと、前記第１のステップと前記第２のステップとで得られたアレーアンテナを用いて、前記送信局から前記中継局、前記中継局から前記受信局に対して通信を行うステップとを含むことを特徴とする。

この発明によれば、異なる軸上に直線状に配置されるＮ本のアンテナ素子を有するＭ個（Ｍ≧２）のアレーアンテナ群のうち、通信に用いるアレーアンテナを選択する際に、アレーアンテナ群から得られるそれぞれの受信信号の情報に基づいて、アレーアンテナ群の各々に対し、干渉波を除去するための重み付け値を算出し、アレーアンテナ群から得られる通信品質に基づいて、Ｍ個のアレーアンテナ群のうち、どのアレーアンテナを選択するかを決定する。したがって、複数の異なる軸上に、複数のリニアアレーを配置し、異なる軸に配置されるアレーアンテナが同じ方向に干渉除去を形成したとしても、異なる方向にグレーティングヌルが形成されることを利用し、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムのノード間の通信品質を確認しながら、これらのアンテナを選択することで、より容易な方法で、かつ、より簡易なハードウエアで、通信品質を改善することができるという利点が得られる。

また、この発明によれば、少なくとも２つ以上のアンテナ素子からなる複数のアレーアンテナのいずれかを選択する際に、各アレーアンテナの受信信号の情報から干渉信号をゼロにするように重み付け値を算出し、該重み付け値と受信信号とを乗算し、該重み付けされた受信信号を合成し、該合成された出力に基づいて通信品質を判定し、通信品質の良好なアンテナ素子を選択する。したがって、複数の異なる軸上に、複数のリニアアレーを配置し、異なる軸に配置されるアレーアンテナが同じ方向に干渉除去を形成したとしても、異なる方向にグレーティングヌルが形成されることを利用し、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムのノード間の通信品質を確認しながら、これらのアンテナを選択することで、より容易な方法で、かつ、より簡易なハードウエアで、通信品質を改善することができるという利点が得られる。

また、本発明によれば、複数のアレーアンテナを、２つのアンテナ素子を直線状に配置した第１のアレーアンテナと、２つのアンテナ素子の１つのアンテナ素子を共有し、かつ、第１のアレーアンテナと略９０度異なる方向に、直線状に配置される２つのアンテナ素子からなる第２のアレーアンテナとし、第１のアレーアンテナと第２のアレーアンテナとで共有されていない２つのアンテナ素子うち、いずれか一方のアンテナ素子を選択することで、アレーアンテナを切り替える。したがって、より容易な方法で、かつ、より簡易なハードウエアで、通信品質を改善することができるという利点が得られる。

また、本発明によれば、複数のアレーアンテナを、正三角形の頂点に配置された３つのアンテナ素子のうち、正三角形の各頂点に配置された２つのアンテナ素子の組み合わせからなる、各々、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとし、正三角形の頂点に配置された３つのアンテナ素子のうち、いずれか２つのアンテナ素子を選択することで、アレーアンテナを切り替える。したがって、選択可能なアンテナの組み合わせが多くすることができるという利点が得られる。

また、本発明によれば、複数のアレーアンテナを、正三角形の頂点にそれぞれ配置された３つのアンテナ素子及び正三角形の中心に配置されたアンテナ素子のうち、正三角形の中心に配置されたアンテナ素子と、正三角形の各頂点に配置されたアンテナ素子との組み合わせからなる、それぞれが略１２０度の角度を成した、各々、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとし、正三角形の頂点に配置された３つのアンテナ素子のうち、いずれか１つのアンテナ素子を選択することで、アレーアンテナを切り替える。したがって、より簡易に実現することができるという利点が得られる。

また、本発明によれば、複数のアレーアンテナを、略９０度の角度を成したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上にそれぞれ配置された３つのアンテナ素子及びｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の原点位置に配置されたアンテナ素子のうち、原点位置に配置されたアンテナ素子と、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上に配置されたアンテナ素子との組み合わせからなる、それぞれが略９０度の角度を成した、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとし、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上に配置された３つのアンテナ素子のうち、いずれか１つのアンテナ素子を選択することで、アレーアンテナを切り替える。したがって、３次元平面でグレーティングヌルの影響を抑えることができるという利点が得られる。

また、この発明によれば、少なくとも２つ以上のアンテナ素子からなる複数のアレーアンテナ毎に、各アンテナ素子で受信された受信信号から伝搬チャネル及び受信電力を測定し、伝搬チャネルから干渉除去を行うための重み付け値を算出し、受信信号と重み付け値とを乗算し、複数のアレーアンテナ毎に合成し、複数のアレーアンテナ毎に、合成された信号に基づいて、通信品質の良好なアレーアンテナを特定し、特定されたアレーアンテナを通信に用いるアレーアンテナとして選択する。したがって、複数の異なる軸上に、複数のリニアアレーを配置し、異なる軸に配置されるアレーアンテナが同じ方向に干渉除去を形成したとしても、異なる方向にグレーティングヌルが形成されることを利用し、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムのノード間の通信品質を確認しながら、これらのアンテナを選択することで、より容易な方法で、かつ、より簡易なハードウエアで、通信品質を改善することができるという利点が得られる。

また、本発明によれば、一連のステップを手順Ａとし、該手順Ａを受信局で行い、選択されたアレーアンテナによる最大の通信品質が所定のしきい値以下である場合には、送信局と受信局との間に配置された中継局で、送信局との間で手順Ａを行い、通信品質の良好なアレーアンテナを特定するとともに、受信局で、中継局との間で手順Ａを行い、通信品質の良好なアレーアンテナを特定し、第１のステップと第２のステップとで得られたアレーアンテナを用いて、送信局から中継局、中継局から受信局に対して通信を行う。したがって、より確実に干渉波によるヌルの影響を除去することができるという利点が得られる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

Ａ．基本原理
図１は、本発明の基本概念を説明するためのブロック図である。図１において、複数のアレーアンテナ２０−１、２０−ａ、２０−ｂ、２０−ｃ、２０−ｄ、…は、異なる軸上に配置される。この異なる軸とは、例えば、簡単な例としては、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を意味する。例えば、ｚ＝０のｘ−ｙ平面上で異なる軸を想定してもよい。アレーアンテナ自体は、直線配置である。また、図示の例では、アレーアンテナ２０−１、２０−ａ、２０−ｂ、２０−ｃ、２０−ｄ、…の素子数を、Ｎとしている。

まず、アレーアンテナ選択部２１で、軸−１に配置されるアレーアンテナ２０−１を選択し、ウエイト計算部２３において干渉波のチャネル応答を推定し、干渉除去の重み付け値（ウエイト）を生成する。同様に、軸−ａ、軸−ｂ、軸−ｃ、…におけるアレーアンテナ２０−ａ、２０−ｂ、２０−ｃ、２０−ｄ、…用の干渉除去のウエイトを生成する。その後、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムとの通信を行う際に、図１に示す通信品質判定部２４で、最もＣＩＮＲが高くなるアレーアンテナ２０−ｉ（ｉ＝１〜最大数）を選択する。

ここで、各アレーアンテナ２０−１、２０−ａ、２０−ｂ、２０−ｃ、２０−ｄ、…が形成する指向性は、常に、他システムからの干渉がゼロになるように決定される。しかしながら、各アレーアンテナ２０−１、２０−ａ、２０−ｂ、２０−ｃ、２０−ｄ、…により形成されるグレーティングヌルは、それらのアンテナ配置の軸の違いにより異なる。

一例として、図２に示すように、ｘｙ平面に１２０度間隔で配置した２本のアレーアンテナが、４５度方向から到来する干渉波にヌルを形成した場合の指向性について説明する。図３は、上記図２に示す状況における、アレーアンテナの指向性を示す概念図である。図３から明らかなように、軸−１〜軸−３のグレーティングヌルが異なるため、通信品質判定部２４で最もＣＩＮＲが高くなるアンテナ２０−ｉを選択できれば、通信品質を改善することができる。ここで、判定されたアレーアンテナ２０−ｉをアレーアンテナ選択部２１で選択して通信を行う。このように、本発明により、前述した問題点を解決することができる。

Ｂ．第１実施形態
次に、図４は、本発明の第１実施形態によるＰｒｉｍａｒｙシステムにおける通信装置の構成を示すブロック図である。図４において、アンテナ素子＃１と＃２とにより、１つのアレーアンテナ３０−１が構成され、アンテナ素子＃１と＃３とにより、１つのアレーアンテナ３０−２が構成されている。アレーアンテナ３０−１は、ｘ軸上に配置され、アレーアンテナ３０−２は、ｙ軸上に配置されている。但し、ｘ軸上とｙ軸上に必ずしもアンテナが配置されている必要はなく、これらのアレーアンテナ３０−１と３０−２とが９０度異なった位置に配置されていることが特徴である。

アンテナ素子＃１は、受信機３２−１に直接接続されている。また、アンテナ素子＃２及びアンテナ素子＃３は、２分岐スイッチ３１の入力端に接続されている。２分岐スイッチ３１は、後述する通信品質判定部３６の制御により、アンテナ素子＃２またはアンテナ素子＃３を切り替え、いずれか一方で受信される受信信号を受信機３２−２に供給する。伝達関数推定及びウエイト計算部３３は、受信機３２−１及び３２−２から供給される受信信号の情報を元に、伝達関数を推定するとともに、アレーアンテナ３０−１、３０−２のそれぞれに対し、干渉波を除去するための重み付け値（ウエイト）を計算する。

ウエイト乗算及び加算部３４は、各重み付け値と各受信信号とを乗算し、それぞれを加算して合成し、アレー出力信号を求める。メモリ３５は、合成されたアレー出力信号を保持する。通信品質判定部３６は、通信品質（ＣＩＮＲ）が良好となるアレーアンテナを選択し、該選択したアレーアンテナが選択されるように、２分岐スイッチ３１の切り替え動作を制御する。

図５は、本第１実施形態によるアレーアンテナによる干渉除去パターンの一例を示す概念図である。図５から分かるように、アレーアンテナ３０−１、３０−２の位置が９０度異なっていれば、グレーティングヌルの方向が大きく異なることが分かる。これは、図１のアンテナパターンを見ても明らかである。また、この例では、アンテナ素子＃１は、両者のアレーアンテナ３０−１、３０−２とで共通としている。こうすることで、アンテナの切り替えは、実質的に、アンテナ素子＃２とアンテナ素子＃３とだけでよい。このような２分岐スイッチ３１は、市販でかなり商用化されているので、実現化が容易である。よって、図４に示す構成は、非常に簡易なハードウエア構成で実現できるという利点を持つ。以下、本第１実施形態の動作について説明する。

図６は、本第１実施形態による通信装置の動作を説明するためのフローチャートである。以下の処理で、ｘ軸上（＃１と＃２）とｙ軸上（＃１と＃３）の間でそれぞれ干渉除去するためのウエイトを計算する。まず、図４において、アレーアンテナ数Ｎ＝２とし（ステップＳ１）、２分岐スイッチ３１をアンテナ素子＃２側に切り替え（ステップＳ２）、伝達関数推定及びウエイト計算部３３で、アンテナ素子＃１とアンテナ素子＃２に入力される受信信号及び干渉波の伝搬チャネル情報（伝搬チャネル及び受信電力）を測定する（ステップＳ３）。

次に、伝達関数推定及びウエイト計算部３３で、測定した伝搬チャネル情報により、例えば，アダプティブアレーのアルゴリズムとして知られているゼロフォーシングアルゴリズムや、ＭＭＳＥアルゴリズムなどを用いて、干渉波にヌルを形成するウエイトを計算する（ステップＳ４）。その後、ウエイト乗算及び加算部３４で、受信信号とウエイトとを乗算し、それらを合成し、アンテナ素子＃１とアンテナ素子＃２と（アレーアンテナ３０−１）から得られるアレー出力信号を求め、これをメモリに格納する（ステップＳ５）。

次に、Ｎ＝３であるか否かを判定し（ステップＳ６）、Ｎ＝３でない場合には、Ｎを１つインクリメントし（ステップＳ７）、ステップＳ２に戻り、上述した処理を繰り返す。すなわち、同様に、２分岐スイッチ３１をアンテナ素子＃３側に切り替え、アンテナ素子＃１とアンテナ素子＃３と（アレーアンテナ３０−２）の干渉除去を行うアレー出力信号を求め、これをメモリに格納する。

そして、Ｎ＝３になると、通信品質判定部３６で、アンテナ素子＃１とアンテナ素子＃２と（アレーアンテナ３０−１）から得られるアレー出力信号と、アンテナ素子＃１とアンテナ素子＃３とから得られるアレー出力信号と（アレーアンテナ３０−２）から、通信品質（ＣＩＮＲ）が良好となるアレーアンテナを選択する。すなわち、選択したアンテナ素子＃２もしくは＃３のいずれか一方を２分岐スイッチ３１で選択し（ステップＳ８）、通信を開始する（ステップＳ９）。

上述した第１実施形態によれば、複数の異なる軸上に、複数のリニアアレーを配置し、異なる軸に配置されるアレーアンテナが同じ方向に干渉除去を形成したとしても、異なる方向にグレーティングヌルが形成されることを利用し、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムのノード間の通信品質を確認しながら、これらのアンテナを選択することで、より容易な方法で、かつ、より簡易なハードウエアで、通信品質を改善することができる。

Ｂ−１．第１の変形例
図７は、本第１の変形例による通信装置の構成を示すブロック図である。なお、図４に対応する部分には同一の符号を付けて説明を省略する。図において、アンテナ素子＃１、＃２、＃３は、三角形の頂点に位置するように配置されている。３入力２出力のスイッチ３１ａは、３種類のアレーアンテナ（＃１、＃２）、（＃２、＃３）、（＃３、＃１）として、アンテナ素子＃１、＃２、＃３を選択できるようになっている。この場合、３入力２出力のスイッチ３１ａは、図４に示す場合よりも複雑となるが、代わりに選択できるアンテナの組み合わせが多くなるという利点がある。

Ｂ−２．第２の変形例
図８は、本第２の変形例による通信装置の構成を示すブロック図である。なお、図４に対応する部分には同一の符号を付けて説明を省略する。図において、アンテナ素子＃２、＃３、＃４は、正三角形の頂点に位置するように配置され、その中心に、アンテナ素子＃１が位置するように配置されている。３入力１出力のスイッチ３１ｂは、３種類のアレーアンテナ（＃１、＃２）（＃１、＃３）（＃１、＃４）として、アンテナ素子＃２、＃３、＃４を選択できるようになっている。

このような構成とすることで、アンテナ素子数は図４、図７に示す構成よりも多いが、端末のような小規模なアンテナの場合、アンテナ素子のみだけだと、設置スペースや、ハードウエアなどの負担も少なく、３入力１出力のスイッチ３１ｂを、図７に示す３入力２出力のスイッチ３１ａよりも簡易に実現できるという利点がある。

Ｂ−３．第３の変形例
図９は、本第３の変形例による通信装置の構成を示すブロック図である。なお、図４に対応する部分には同一の符号を付けて説明を省略する。図において、アンテナ素子＃１は、ｘ、ｙ、ｚ軸の原点に位置するように配置され、アンテナ素子＃２、＃３、＃４は、それぞれ、ｘ、ｙ、ｚ軸上に位置するように配置されている。すなわち、前述した第１乃至第３実施形態では、平面にアンテナ素子を配置していたが、本第４実施形態では、ｘ，ｙ，ｚ面にそれぞれアレーアンテナを配置する。この場合、３次元平面でグレーティングヌルの影響を抑えることができるという利点がある。

Ｃ．第２実施形態
次に、本発明による第２実施形態について説明する。
前述した第１実施形態または第１乃至第３の変形例では、アンテナ素子の切り替えのみにより、グレーティングヌルの影響を抑えていた。しかしながら、前述した第１実施形態または第１乃至第３の変形例では、各アレーアンテナは、図４、図７、図８もしくは図９に示すように、干渉波方向に同じ方向にヌルを形成する。したがって、所望波方向と干渉方向とが完全に一致する場合には、やはり特性が劣化する可能性がある。そこで、この問題を解決するために、以下で説明する第２実施形態では、リレー（中継）技術を前述した第１実施形態に併用することを特徴とする。

図１０は、リレー（中継）通信の原理を説明するための概念図である。リレー（中継）とは、例えば、センサーネットワークのような、多くの通信端末が配置されている環境において、あるノード間（送信局４０と受信局４１との間）の通信品質が悪化した際に、他のノード（中継局４２）を中継ノードとして用いることで、通信品質を改善する方法である。基本的には、通信品質が悪くない場合、もしくは第１実施形態のみで十分に特性が得られる場合には、このようなリレー（中継）を用いると、スループットが低下するが、ここでの問題においては、干渉波のヌルを形成した方向への通信を回避するために有効である。

図１１は、本第２実施形態による通信装置の動作を説明するためのフローチャートである。図１１に示すように、ステップＳ１〜Ｓ８（ここでは、フローＡと呼ぶ）は、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。フローＡの処理の後、通信品質（ＣＩＮＲ）が所定のしきい値αを満たすか否かを判定する（ステップＳ１０）。該しきい値αは、システムに依存し、システム毎で設定される値を有する。

そして、該通信品質（ＣＩＮＲ）がしきい値を満たさない場合には、所望波方向と干渉方向とが完全に一致すると判断し、リレー（中継）を行う。すなわち、送信局４０と中継局４２との間でフローＡを実行し（ステップＳ１１）、所望波方向と干渉方向が完全に一致するＣＩＮＲが最も高くなるアンテナパターンを選択し（フローＡ）、さらに、中継局４２と受信局４１との間でフローＡを実行し（ステップＳ１２）、ＣＩＮＲが最も高くなるアンテナパターンを選択する（フローＡ）。そして、送信局４０と受信局４２との間で、中継局４２を介して通信を開始する（ステップＳ１３）。

上述した第２実施形態によれば、より確実に干渉波によるヌルの影響を除去することが可能となる。

次に、第２実施形態の方法を用いた場合の本発明の効果について説明する。
図１２は、前述した図１６に示す環境を用いた場合のチャネル容量の累積確率を示す概念図である。図１２に示すように、本発明（第２実施形態）によれば、通常の方法よりも実現可能な通信容量を１０ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚ程度改善することが確認できる。さらには、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムだけが通信を行う場合よりも、アレーアンテナゲインの効果により、通信容量を３〜５ｂｉｔｓ／ｓ／Ｈｚ程度改善していることが確認できる。このように、本発明を用いることで，他システムからのグレーティングヌルもしくはヌルの影響によるｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムの通信品質の劣化を低減することができる。

本発明の基本概念を説明するためのブロック図である。 干渉波にヌルを形成した場合の指向性を説明するための概念図である。 アレーアンテナの指向性を示す概念図である。 本発明の第１実施形態によるＰｒｉｍａｒｙシステムにおける通信装置の構成を示すブロック図である。 本第１実施形態によるアレーアンテナによる干渉除去パターンの一例を示す概念図である。 本第１実施形態による通信装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本第１の変形例による通信装置の構成を示すブロック図である。 本第２の変形例による通信装置の構成を示すブロック図である。 本第３の変形例による通信装置の構成を示すブロック図である。 リレー（中継）通信の原理を説明するための概念図である。 本発明による第２実施形態による通信装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の効果を説明するためのチャネル容量の累積確率を示す概念図である。 コグニティブ無線技術の概要を説明するための概念図である。 Ｐｒｉｍａｒｙシステムの干渉を回避、もしくはＰｒｉｍａｒｙシステムへの与干渉を防ぐための、アレーアンテナによる干渉除去を説明するための概念図である。 アダプティブアレーの基本構成を示すブロック図である。 Ｐｒｉｍａｒｙシステムの干渉が存在する環境を想定して計算したＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの通信品質を測定するための概念図である。 Ｐｒｉｍａｒｙシステムの干渉が存在する環境を想定して計算したＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの通信品質の一例を示す概念図である。

符号の説明

２０−１、２０−ａ、２０−ｂ、２０−ｃ、２０−ｄ、… アレーアンテナ
２１ アレーアンテナ選択部
２２−１〜２２−Ｎ 受信機
２３ ウエイト計算部（重み付け計算手段、重み付け手段）
２４ 通信品質判定部（選択制御手段）
３１ ２分岐スイッチ（アレー選択手段）
３１ａ ３入力２出力スイッチ（アレー選択手段）
３１ｂ ３入力１出力スイッチ（アレー選択手段）
３２−１、３２−２ 受信機
３３ 伝達関数及びウエイト計算部（重み付け計算手段）
３４ ウエイト乗算＆加算部（重み付け手段）
３５ メモリ
３６ 通信品質判定部（選択制御手段）
４０ 送信局
４１ 受信局
４２ 中継局
＃１〜＃４ アンテナ素子

Claims (11)

1. それぞれ２つ以上のアンテナ素子を複数の異なる軸上に直線状に配置し、それぞれ異なる方向にグレーティングヌルを形成する複数のアレーアンテナと、
   前記複数のアレーアンテナのいずれかを選択する選択手段と、
   前記選択手段により選択されたアレーアンテナを構成するアンテナ素子がそれぞれ接続される複数の送受信機と、
   前記送受信機に接続され、受信信号の情報から干渉信号をゼロにするように、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子に対する重み付け値を算出する重み付け計算手段と、
   前記重み付け計算手段で算出された重み付け値と前記送受信機により受信された受信信号とを乗算し、該重み付けされた受信信号を合成する重み付け手段と、
   前記重み付け手段により合成された出力に基づいて通信品質を判定し、通信品質の良好なアレーアンテナを選択するように、前記選択手段の選択動作を制御する通信品質判定手段と
   を具備することを特徴とする通信装置。
2. 前記複数のアレーアンテナは、
   ２つのアンテナ素子を直線状に配置した第１のアレーアンテナと、
   前記２つのアンテナ素子の１つのアンテナ素子を共有し、かつ、前記第１のアレーアンテナと略９０度異なる方向に、直線状に配置される２つのアンテナ素子からなる第２のアレーアンテナとからなり、
   前記選択手段は、
   前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとで共有されていない２つのアンテナ素子うち、いずれか一方のアンテナ素子を選択することを特徴とする請求項１記載の通信装置。
3. 前記複数のアレーアンテナは、
   正三角形の頂点に配置された３つのアンテナ素子のうち、前記正三角形の各頂点に配置された２つのアンテナ素子の組み合わせからなる、各々、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなり、
   前記選択手段は、
   前記正三角形の頂点に配置された３つのアンテナ素子のうち、いずれか２つのアンテナ素子を選択することを特徴とする請求項１記載の通信装置。
4. 前記複数のアレーアンテナは、
   正三角形の頂点にそれぞれ配置された３つのアンテナ素子及び正三角形の中心に配置されたアンテナ素子のうち、前記正三角形の中心に配置されたアンテナ素子と、前記正三角形の各頂点に配置されたアンテナ素子との組み合わせからなり、それぞれが略１２０度の角度を成した、各々、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなり、
   前記選択手段は、
   前記正三角形の頂点に配置された３つのアンテナ素子のうち、いずれか１つのアンテナ素子を選択することを特徴とする請求項１記載の通信装置。
5. 前記複数のアレーアンテナは、
   略９０度の角度を成したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上にそれぞれ配置された３つのアンテナ素子及びｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の原点位置に配置されたアンテナ素子のうち、前記原点位置に配置されたアンテナ素子と、前記ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上に配置されたアンテナ素子との組み合わせからなり、それぞれが略９０度の角度を成した、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなり、
   前記選択手段は、
   前記ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上に配置された３つのアンテナ素子のうち、いずれか１つのアンテナ素子を選択することを特徴とする請求項１記載の通信装置。
6. 送信局と受信局との間で通信を行う通信方法であって、
   それぞれ２つ以上のアンテナ素子を複数の異なる軸上に直線状に配置し、それぞれ異なる方向にグレーティングヌルを形成する複数のアレーアンテナ毎に、各アンテナ素子で受信された受信信号から伝搬チャネル及び受信電力を測定するステップと、
   前記伝搬チャネルから干渉除去を行うための、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子に対する重み付け値を算出するステップと、
   前記受信信号と前記重み付け値とを乗算し、複数のアレーアンテナ毎に合成するステップと、
   前記複数のアレーアンテナ毎に合成された信号に基づいて、通信品質の良好なアレーアンテナを特定するステップと、
   前記特定されたアレーアンテナを通信に用いるアレーアンテナとして選択するステップと
   を含むことを特徴とする通信方法。
7. 前記複数のアレーアンテナは、
   ２つのアンテナ素子を直線状に配置した第１のアレーアンテナと、
   前記２つのアンテナ素子の１つのアンテナ素子を共有し、かつ、前記第１のアレーアンテナと略９０度異なる方向に、直線状に配置される２つのアンテナ素子からなる第２のアレーアンテナとからなることを特徴とする請求項６記載の通信方法。
8. 前記複数のアレーアンテナは、
   正三角形の頂点に配置された３つのアンテナ素子のうち、前記正三角形の各頂点に配置された２つのアンテナ素子の組み合わせからなる、各々、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなることを特徴とする請求項６記載の通信方法。
9. 前記複数のアレーアンテナは、
   正三角形の頂点にそれぞれ配置された３つのアンテナ素子及び正三角形の中心に配置されたアンテナ素子のうち、前記正三角形の中心に配置されたアンテナ素子と、前記正三角形の各頂点に配置されたアンテナ素子との組み合わせからなり、それぞれが略１２０度の角度を成した、各々、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなることを特徴とする請求項６記載の通信方法。
10. 前記複数のアレーアンテナは、
    略９０度の角度を成したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上にそれぞれ配置された３つのアンテナ素子及びｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の原点位置に配置されたアンテナ素子のうち、前記原点位置に配置されたアンテナ素子と、前記ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上に配置されたアンテナ素子との組み合わせからなり、それぞれが略９０度の角度を成した、第１のアレーアンテナ、第２のアレーアンテナ、第３のアレーアンテナとからなることを特徴とする請求項６記載の通信方法。
11. 前記一連のステップを手順Ａとし、該手順Ａを受信局で行い、
    前記選択されたアレーアンテナによる最大の通信品質が所定のしきい値以下である場合には、
    前記送信局と前記受信局との間に配置された中継局で、前記送信局との間で前記手順Ａを行い、通信品質の良好なアレーアンテナを特定する第１のステップと、
    前記受信局で、前記中継局との間で前記手順Ａを行い、通信品質の良好なアレーアンテナを特定する第２のステップと、
    前記第１のステップと前記第２のステップとで得られたアレーアンテナを用いて、前記送信局から前記中継局、前記中継局から前記受信局に対して通信を行うステップと
    を含むことを特徴とする請求項６記載の通信方法。

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