JP4806659B2 - アレーアンテナ装置、アレーアンテナの通信方法、リレー通信システム及びリレー通信方法 - 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おいて、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）に干渉を与えないＣｏｇｎｉｔｉｖｅ無線におけるアレーアンテナ装置、アレーアンテナの通信方法、リレー通信システム及びリレー通信方法に関する。

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で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。限られた帯域で高速伝送を実現する手段としては近年ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）技術が近年注目を集めている。ＭＩＭＯとは、送信側と受信側にそれぞれアレーアンテナを用い、送信側において、アンテナごとに異なるデータを送信し、受信側では、何らかの干渉除去技術、復号技術により、この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対し、同一周波数で著しく伝送速度を向上する技術である。すでに、この技術は無線ＬＡＮシステムなどでも導入されている。

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。一方、小型の端末考えた場合、アンテナ素子数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。

そこで、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、Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ（コグニティブ）無線技術が注目されている。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。Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ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。Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ無線の概要については、例えば、非特許文献１などで説明されている。

Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ無線技術の概要図を図９に示す。Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ無線では、もともと、ある通信帯域を使用する優先システム（Ｐｒｉｍａｒｙシステム）と、Ｐｒｉｍａｒｙシステムが使用していない周波数、時間などを監視して、この情報をもとに通信を行うＣｏｇｎｉｔｉｖｅ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム）が存在する。基本的には、Ｐｒｉｍａｒｙシステムは、優先的に与えられた通信帯域を常に使用することが可能であり、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムは、自分自身の通信によって、Ｐｒｉｍａｒｙシステムに干渉を与えることにより、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの効率を低下させないように通信する。また、通常、ＰｒｉｍａｒｙシステムはＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの存在を知ることはできないことが前提となっている。
S.Haykin,"Cognitive radio:brajn-empowered wireless communications,２"IEEE Journal on J-SAC,no.2,vol.23,pp.201--220,Feb.2005

上記の環境において、基本的には、Ｐｒｉｍａｒｙシステムからの干渉波を除去するとともに、Ｐｒｉｍａｒｙシステムへの干渉を与えなければ問題なくＣｏｇｎｉｔｉｖｅ無線を実現することができる。

Ｐｒｉｍａｒｙシステムからの干渉を回避する手段として、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。アダプティブアレーの基本構成を図１０に示す。図１０に示すように、アダプティブアレーは複数本のアンテナに入力される信号に適切な重みづけを乗算し合成することで、干渉波を除去する技術である。この重みづ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「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。

図１１にアダプティブアレーを用いて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一例を示した。図１１に示す例では、簡単化のため、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの送信局がＰｒｉｍａｒｙシステムの受信局１、２へ信号を送ることを想定している。また、図１１のＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムにおいて、送信1と送信２は、送信を行う端末装置を示しており、受信１と受信2は、受信を行う端末装置を示しており、それぞれが通信を行っていることを想定している。

ここで、受信１、受信２は、それぞれＰｒｉｍａｒｙシステムの送信局からの信号を受けないようにアダプティブアレーアンテナの指向性を形成し、送信１、送信２は、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの受信局に干渉を与えないように指向性を形成する。図１１に示す例では、送信1は近くにあるＰｒｉｍａｒｙシステムの受信局２への、送信２は近くにあるＰｒｉｍａｒｙシステムの受信局１へ干渉を与えないように指向性を制御している。この場合、一見干渉回避と干渉除去を同時に実現しているように思えるが、以下に述べる問題がある。

第１の問題として、指向性を形成したことによる、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムどうしの通信品質の劣化が生じる。

第２の問題として、受信局に対して必要とされる干渉回避の数がアンテナ数の数を超えた場合の与干渉回避の限界の問題が生じる。

第１の問題については、指向性のヌル方向とＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの通信方法がほぼ一致する場合、もしくは、指向性のグレーティングヌル方向とＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの通信方法がほぼ一致する場合に問題となる。直線アレーを用いた場合、指向性を制御できる領域は１８０度（アレーアンテナの直線について片側）となる。また、残りの片側は指向性を制御した１８０度方向と全く対称な指向性が形成される。指向性制御によりヌルを形成した際、この残りの片側に形成されるヌルをグレーティングヌルと呼ぶ。これは直線アレーを用いる限り必ず発生することになる。

第２の問題については、一般にダウンリンク回線やブロードキャスト回線を考えると、１個の基地局（送信局）に対し、多数の端末局（受信局）が接続される。例えば、図１１に示す例の場合、受信局１がＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの送信１に近くても、受信局２は十分遠く、送信１から受信局２への与干渉が問題とならなければよいが、送信１から受信局２への与干渉が問題となる場合は、送信１から受信局２へ干渉を与えないようになんらかの制御が必要である。しかし、図１１に示すように、２素子アレーで制御できる数は１であるため、送信１から受信局２は与干渉を回避することができない。

これら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。これを回避するめには、円形アレーやＲｅｃｔａｎｇｕｌａｒアレーを用いることが提案されているが、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。また、２素子アレーは、本質的にグレーティングヌルの発生を回避できない。また、結局、直線アレー以外の方法でも、指向性のヌルの数以上の干渉波を回避もしくは除去できない．よって、リニアアレーを用いた場合のヌルとグレーティングヌルによるＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの通信品質の劣化と多数のＰｒｉｍａｒｙシステムへの干渉回避を実現する技術が必要となる。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、本発明の目的は、優先システム（Ｐｒｉｍａｒｙシステム）への与干渉回避のためのアンテナ数が全干渉波の数よりも少ない場合でも、効率的に与干渉を回避でき、また、新規システム（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム）間での通信品質劣化も抑えることできるアレーアンテナ装置、アレーアンテナの通信方法、リレー通信システム及びリレー通信方法を提供することにある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、Ｎ本のアンテナ素子と、前記アンテナ素子にそれぞれ接続されるＮ個（Ｎ≧２）の送信機とＮ個の受信機と、異なる軸上に直線状に配置されるＮ本（Ｎ≧２）のアンテナ素子を有するＭ個（Ｍ≧２）のアレーアンテナ群と、前記アレーアンテナ群のうちから、通信に用いるアレーアンテナを選択するアレー選択部と、通信相手の伝達関数を推定すると共に、与干渉となる可能性を有する他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報を推定する伝達関数推定部と、前記伝達関数推定部より推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムの受信局数を推定する干渉数推定部と、前記他の通信システムから受信した干渉波の最大電力を測定する最大干渉電力測定部と、前記アレーアンテナ群に含まれるアレーアンテナごとに、前記アレーアンテナから得られるそれぞれの受信信号の情報を基に、前記アレーアンテナのそれぞれに対し、前記他の通信システムの受信局への干渉波を除去するための重みづけ値を算出するウエイト計算部と、前記ウエイト計算部で算出された重みづけ値と前記受信信号を乗算し、また、前記算出された重み付け値と前記伝達関数推定部で推定した与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報とを乗算し、これらを合成して出力情報を生成するウエイト乗算・合成部と、前記アレー選択部にて選択されるアレーアンテナに対応する前記ウエイト計算部で算出された重みづけ値を用いて送信信号に乗算する送信信号乗算部と、を備え、前記ウエイト計算部は、算出する前記重みづけ値として、前記最大干渉電力測定部で得られた最大電力となる前記干渉波の干渉除去を行う前記重みづけ値を算出し、前記アレー選択部は、前記ウエイト乗算・合成部より得られる出力情報と、前記アレーアンテナごとに得られる前記他の通信システムの受信局への与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とに基づき、選択するアレーアンテナを判定する通信品質判定部を備えることを特徴とするアレーアンテナ装置である。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記アレーアンテナ群は、直線上に配置される２素子からなる第１のアレーアンテナと、前記第１のアレーアンテナと１素子を共有し、かつ前記第１のアレーアンテナとは略９０度異なる方向に直線上に配置される２素子からなる第２のアレーアンテナとからなり、前記第１のアレーアンテナと第２のアレーアンテナのうち、前記第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ない２素子のアンテナのうちから1素子のアンテナを選択する２分岐スイッチを備え、前記送信機と前記受信機は、前記第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るアンテナ素子に接続される第１の送信機と第１の受信機と、前記２分岐スイッチにより選択されたアンテナ素子に接続される第２の送信機と第２の受信機と、からなり、前記アレー選択部は、前記２分岐スイッチを切り替えることにより前記アレーアンテナ群のうちから、通信に用いるアレーアンテナを選択することを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記アレーアンテナ群は、正三角形状に３本のアンテナ素子を配置し、前記正三角形の各辺のアンテナ素子により３つのアレーアンテナからなり、前記３本のアンテナ素子から２本のアンテナ素子を選択する３入力２出力スイッチを備え、前記送信機と前記受信機は、前記３入力２出力スイッチの一方の出力に接続される第１の送信機と第１の受信機と、前記３入力２出力スイッチの他方の出力に接続される第２の送信機と第２の受信機と、からなり、前記アレー選択部は、前記３入力２出力スイッチを切り替えることにより前記アレーアンテナ群のうちから、通信に用いるアレーアンテナを選択することを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記アレーアンテナ群は、２素子のアンテナを直線上に配置した第１のアレーアンテナと、前記第１のアレーアンテナと１素子は共有し、かつ前記第１のアレーアンテナとは略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子のアンテナからなる第２のアレーアンテナと、前記第１のアレーアンテナおよび第２のアレーアンテナと１素子は共有し、かつ前記第１および第２アレーアンテナのそれぞれと略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子のアンテナからなる第３のアレーアンテナとからなり、前記第１、第２および第３のアレーアンテナうち、前記第１、第２および第３のアレーアンテナで共有されない３つのアンテナ素子のうちから１つのアンテナ素子を選択する３分岐スイッチを備え、前記送信機と前記受信機は、前記第１、第２、および第３のアレーアンテナで共有されるアンテナ素子に接続される第１の送信機と第１の受信機と、前記３分岐選択スイッチにより選択された１つのアンテナ素子に接続される第２の送信機と第２の受信機と、からなり、前記アレー選択部は、前記３分岐スイッチを切り替えることにより前記アレーアンテナ群のうちから、通信に用いるアレーアンテナを選択することを特徴とする。

また、本発明は、Ｎ本のアンテナ素子と、前記アンテナ素子にそれぞれ接続されるＮ個（Ｎ≧２）の送信機とＮ個の受信機とを有し、前記受信機に入力された入力信号の情報を基に、他の通信システムへの干渉波を除去するアレーアンテナ装置におけるアレーアンテナの通信方法であって、異なる軸上に直線状に配置されるＮ本（Ｎ≧２）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から、通信に用いるアレーアンテナを選択するアレー選択手順と、前記アレーアンテナ群に含まれるアレーアンテナごとに、前記アレーアンテナから得られるそれぞれの受信信号の情報を基に、前記アレーアンテナのそれぞれに対し、他の通信システムの受信局への干渉波を除去するための重みづけ値を算出するウエイト計算手順と、通信相手の伝達関数を推定すると共に、与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報を推定する伝達関数推定手順と、前記推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムの受信局数を推定する干渉数推定手順と、前記他の通信システムから受信した干渉波の最大電力を測定する最大干渉電力測定手順と、前記ウエイト計算手順にて、前記最大干渉電力測定手順で得られた最大電力となる前記干渉波の干渉除去を行う前記重みづけ値を算出する手順と、前記算出された重みづけ値と前記受信信号を乗算し、また、前記算出された重み付け値と前記伝達関数推定手順にて推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報とを乗算し、これらを合成して出力情報を生成するウエイト乗算・合成手順と、前記ウエイト乗算・合成手順より得られる出力情報と、前記アレーアンテナ群から得られる他の通信システムへの与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とを基に、前記アレー選択手順にて選択されるアレーアンテナを判定する判定手順と、を含むことを特徴とするアレーアンテナの通信方法である。

また、本発明は、直線上に配置される２素子からなる第１のアレーアンテナと、前記第１のアレーアンテナ群と1素子を共有し、かつ前記第１のアレーアンテナとは略９０度異なる方向に直線上に配置される２素子からなる第２のアレーアンテナと、前記第１のアレーアンテナと第２のアレーアンテナのうち、前記第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ない２素子のアンテナのうちから1素子のアンテナを選択する２分岐スイッチと、前記２分岐スイッチで選択された1素子のアンテナと接続される第１の送信機と第１の受信機と、前記第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るアンテナ素子に接続される第２の送信機と第２の受信機と、を備えるアレーアンテナ装置におけるアレーアンテナの通信方法であって、対象とするアレーアンテナに前記２分岐スイッチを切り替えるアレー選択手順と、前記アレーアンテナ群に含まれるアレーアンテナごとに、前記アレーアンテナから得られるそれぞれの受信信号の情報を基に、前記アレーアンテナのそれぞれに対し、他の通信システムの受信局への干渉波を除去するための重みづけ値を算出するウエイト計算手順と、通信相手の伝達関数を推定すると共に、与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報を推定する伝達関数推定手順と、前記推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムの受信局数を推定する干渉数推定手順と、前記他の通信システムから受信した干渉波の最大電力を測定する最大干渉電力測定手順と、前記ウエイト計算手順にて、前記最大干渉電力測定手順で得られた最大電力となる前記干渉波の干渉除去を行う前記重みづけ値を算出する手順と、前記算出された重みづけ値と前記受信信号を乗算し、また、前記算出された重み付け値と前記伝達関数推定手順にて推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報とを乗算し、これらを合成して出力情報を生成するウエイト乗算・合成手順と、前記ウエイト乗算・合成手順より得られる出力情報と、前記アレーアンテナ群から得られる他の通信システムへの与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とを基に、前記アレー選択手順にて選択されるアレーアンテナを判定する判定手順と、を含むことを特徴とするアレーアンテナの通信方法である。

また、本発明は、正三角形状に３本のアンテナ素子を配置し、前記正三角形の各辺のアンテナ素子により３つのアレーアンテナを形成すると共に、前記３本のアンテナ素子から２本のアンテナ素子を選択する３入力２出力スイッチと、前記３入力２出力スイッチの一方の出力に接続される第１の送信機と第１の受信機と、前記３入力２出力スイッチの他方の出力に接続される第２の送信機と第２の受信機と、を備えるアレーアンテナ装置におけるアレーアンテナの通信方法であって、対象とするアレーアンテナに前記２分岐スイッチを切り替えるアレー選択手順と、前記アレーアンテナ群に含まれるアレーアンテナごとに、前記アレーアンテナから得られるそれぞれの受信信号の情報を基に、前記アレーアンテナのそれぞれに対し、他の通信システムの受信局への干渉波を除去するための重みづけ値を算出するウエイト計算手順と、通信相手の伝達関数を推定すると共に、与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報を推定する伝達関数推定手順と、前記推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムの受信局数を推定する干渉数推定手順と、前記他の通信システムから受信した干渉波の最大電力を測定する最大干渉電力測定手順と、前記ウエイト計算手順にて、前記最大干渉電力測定手順で得られた最大電力となる前記干渉波の干渉除去を行う前記重みづけ値を算出する手順と、前記算出された重みづけ値と前記受信信号を乗算し、また、前記算出された重み付け値と前記伝達関数推定手順にて推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報とを乗算し、これらを合成して出力情報を生成するウエイト乗算・合成手順と、前記ウエイト乗算・合成手順より得られる出力情報と、前記アレーアンテナ群から得られる他の通信システムへの与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とを基に、前記アレー選択手順にて選択されるアレーアンテナを判定する判定手順と、を含むことを特徴とするアレーアンテナの通信方法である。

また、本発明は、２素子のアンテナを直線上に配置した第１のアレーアンテナと、前記第１のアレーアンテナと１素子は共有し、かつ前記第１のアレーアンテナとは略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子のアンテナからなる第２のアレーアンテナと、前記第１のアレーアンテナおよび第２のアレーアンテナと１素子は共有し、かつ前記第１および第２アレーアンテナのそれぞれと略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子のアンテナからなる第３のアレーアンテナと、前記第１、第２および第３のアレーアンテナうち、前記第１、第２および第３のアレーアンテナで共有されない３つのアンテナ素子のうちから１つのアンテナ素子を選択する３分岐スイッチと、前記第１、第２、および第３のアレーアンテナで共有されるアンテナ素子に接続される第１の送信機と第１の受信機と、前記３分岐選択スイッチにより選択された１つのアンテナ素子に接続される第２の送信機と第２の受信機と、を備えるアレーアンテナ装置におけるアレーアンテナの通信方法であって、対象とするアレーアンテナに前記２分岐スイッチを切り替えるアレー選択手順と、前記アレーアンテナ群に含まれるアレーアンテナごとに、前記アレーアンテナから得られるそれぞれの受信信号の情報を基に、前記アレーアンテナのそれぞれに対し、他の通信システムの受信局への干渉波を除去するための重みづけ値を算出するウエイト計算手順と、通信相手の伝達関数を推定すると共に、与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報を推定する伝達関数推定手順と、前記推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムの受信局数を推定する干渉数推定手順と、前記他の通信システムから受信した干渉波の最大電力を測定する最大干渉電力測定手順と、前記ウエイト計算手順にて、前記最大干渉電力測定手順で得られた最大電力となる前記干渉波の干渉除去を行う前記重みづけ値を算出する手順と、前記算出された重みづけ値と前記受信信号を乗算し、また、前記算出された重み付け値と前記伝達関数推定手順にて推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報とを乗算し、これらを合成して出力情報を生成するウエイト乗算・合成手順と、前記ウエイト乗算・合成手順より得られる出力情報と、前記アレーアンテナ群から得られる他の通信システムへの与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とを基に、前記アレー選択手順にて選択されるアレーアンテナを判定する判定手順と、を含むことを特徴とするアレーアンテナの通信方法である。

また、本発明は、他の通信システムに与干渉を与えることなく通信を行う、送信局と、中継局と、受信局とで構成されるリレー通信システムであって、前記送信局、中継局と、および受信局は、それぞれ請求項１に記載のアレーアンテナ装置を備えており、それぞれの前記アレーアンテナ装置は、前記受信機に入力された入力信号の情報を基に、前記他の通信システムの受信局への干渉波を除去するように構成されており、前記アレー選択部は、前記ウエイト乗算・合成部より得られる出力情報と、前記アレーアンテナ群から得られる他の通信システムへの与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とを基に、選択するアレーアンテナを判定するリレー通信制御部と、を備え、前記送信局の前記リレー通信制御部が、前記アレー選択部にてアレーアンテナの選択を行った際に、いずれのアレーアンテナにおいても所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たさないと判定した場合は、前記中継局において、前記リレー通信制御部の判定に基づく前記アレー選択部によるアレーアンテナの選択を行い、前記受信局において、前記リレー通信制御部の判定に基づく前記アレー選択部によるアレーアンテナの選択を行い、前記中継局及び前記受信局の前記アレー選択部にて選択されたアレーアンテナを用いて、前記中継局を介することにより所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たすアレーアンテナがあると前記リレー通信制御部にて判定された場合は、該アレーアンテナを選択し、前記送信局から前記中継局、前記中継局から前記受信局へと通信を行うことを特徴とするリレー通信システムである。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記中継局及び前記受信局の前記アレー選択部にて選択されたアレーアンテナを用いて、前記中継局を介することにより所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たすアレーアンテナがあると前記リレー通信制御部にて判定されない場合は、前記アレー選択部は候補となる他の中継局を選択することを特徴とする。

また、本発明は、他の通信システムに与干渉を与えることなく通信を行う、送信局と、中継局と、受信局とで構成される通信システムにおけるリレー通信方法であって、請求項５に記載のアレーアンテナの通信方法に含まれる手順と、前記判定手順によって判定された結果に基づいて、前記アレー選択手順にて選択されるアレーアンテナを判定するリレー通信制御手順と、を含み、前記送信局が、前記アレーアンテナの選択を行った際に、いずれのアレーアンテナにおいても所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たさないと前記リレー通信制御手順にて判定した場合は、前記中継局において、前記リレー通信制御手順の判定に基づく前記アレー選択手順によるアレーアンテナの選択を行い、前記受信局において、前記リレー通信制御手順の判定に基づく前記アレー選択手順によるアレーアンテナの選択を行い、前記中継局及び前記受信局の前記アレー選択手順にて選択されたアレーアンテナを用いて、前記中継局を介することにより所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たすアレーアンテナがあると前記リレー通信制御手順にて判定された場合は、該アレーアンテナを選択し、前記送信局から前記中継局、前記中継局から前記受信局へと通信を行うことを特徴とするリレー通信方法である。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記中継局及び前記受信局の前記アレー選択部にて選択されたアレーアンテナを用いて、前記中継局を介することにより所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たすアレーアンテナがあると前記リレー通信制御手順にて判定されない場合は、前記アレー選択手順にて候補となる他の中継局を選択することを特徴とする。

本発明のアレーアンテナ装置では、軸方向を互いに異ならせたアレーアンテナを複数組用い、他の通信システム（Ｐｒｉｍａｒｙシステム：優先システム）から得られる受信信号の情報を基に、各アレーアンテナにおいて干渉波を除去するための重みづけを算出し、この重みづけ情報を基に、各アレーアンテナにおける他の通信システム（Ｐｒｉｍａｒｙシステム）への与干渉信号量と、自システム、すなわち自装置が属する通信システム（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム：新規システム)における通信品質情報とを求め、どのアレーアンテナを選択するかを判定する。
これにより、複数の異なる軸上に複数のアレーアンテナを配置し、異なる軸に配置されるアレーアンテナは同じ方向に干渉除去のためのヌル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逆に利用し、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙノード間の通信品質と全体の与干渉電力を確認しながら、これらのアンテナを選択するようにしたので、他の通信システム（Ｐｒｉｍａｒｙシステム：優先システム）への与干渉回避のためのアンテナ数が全干渉波の数よりも少ない場合でも、効率的に与干渉を回避できる。また、自システム（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム：新規システム）における通信品質劣化も抑えることができる。

また、本発明のアレーアンテナ装置は、直線上に配置される２素子からなる第１のアレーアンテナと、第１のアレーアンテナ群と1素子は共有し、かつ第１のアレーアンテナとは略９０度異なる方向に直線上に配置される２素子からなる第２のアレーアンテナと、第１のアレーアンテナと第２のアレーアンテナのうち、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ない２素子のアンテナのうちから1素子のアンテナを選択する２分岐スイッチと、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るアンテナ素子に接続される第１の送信機と第１の受信機と、２分岐スイッチにより選択されたアンテナ素子に接続される第２の送信機と第２の受信機と、を備えることを特徴とする。
上記構成からなる本発明のアレーアンテナ装置では、２素子からなる第１のアレーアンテナと、第１のアレーアンテナとは略９０度異なる方向に直線上に配置される２素子からなる第２のアレーアンテナとを備える。
これにより、与干渉回避と所望信号の保護を、最も簡単な構成で、かつ最も少ないアンテナ数で実現できる。

また、本発明のアレーアンテナ装置は、正三角形状に３本のアンテナ素子を配置し、正三角形の各辺のアンテナ素子により３つのアレーアンテナを形成すると共に、３本のアンテナ素子から２本のアンテナ素子を選択する３入力２出力スイッチと、３入力２出力スイッチの一方の出力に接続される第１の送信機と第１の受信機と、３入力２出力スイッチの他方の出力に接続される第２の送信機と第２の受信機と、備えることを特徴とする。
上記構成からなる本発明のアレーアンテナ装置では、正三角形状に３素子のアンテナ（＃１、＃２、＃３）を配置し、３種類のアレーアンテナ（＃１，＃２）、（＃２，＃３）、（＃３，＃１）を構成し、３入力２出力スイッチにより、所望のアレーアンテナを選択できるようにする。
これにより、与干渉回避と所望信号の保護を、最も簡単な構成で、かつ最も少ないアンテナ数でより効果的に実現できる。

また、本発明のアレーアンテナ装置は、２素子のアンテナを直線上に配置した第１のアレーアンテナと、第１のアレーアンテナと１素子は共有し、かつ第１のアレーアンテナとは略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子のアンテナからなる第２のアレーアンテナと、第１のアレーアンテナおよび第２のアレーアンテナと１素子は共有し、かつ第１および第２アレーアンテナのそれぞれと略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子のアンテナからなる第３のアレーアンテナと、第１、第２および第３のアレーアンテナうち、第１、第２および第３のアレーアンテナで共有されない３つのアンテナ素子のうちから１つのアンテナ素子を選択する３分岐スイッチと、第１、第２、および第３のアレーアンテナで共有されるアンテナ素子に接続される第１の送信機と第１の受信機と、３分岐選択スイッチにより選択された１つのアンテナ素子に接続される第２の送信機と第２の受信機と、を備えることを特徴とする。
上記構成からなる本発明のアレーアンテナ装置では、２素子のアンテナが直線上に配置される第１のアレーアンテナと、第１のアレーアンテナと１素子は共有し、かつ第１のアレーアンテナとは略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子の第２のアレーアンテナと、第１および第２のアレーアンテナと１素子は共有し、それぞれと略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子の第３のアレーアンテナを備える。
これにより、与干渉回避と所望信号の保護を、簡単な構成で、かつ少ないアンテナ数で効果的に実現できる。

また、本発明のアレーアンテナ装置は、通信相手の伝達関数を推定すると共に、与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムの受信局との伝搬チャネル情報を推定する伝達関数推定部と、伝達関数推定部より推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信ステムの受信局数を推定する干渉数推定部と、伝達関数推定部が推定した伝搬チャネル情報に対応する前記他の通信システムの受信局の与干渉電力を測定する干渉電力測定部と、干渉電力測定部の測定結果から、最大電力となる与干渉電力を測定する最大干渉電力測定部と、ウエイト計算部で算出された重みづけ値と、受信信号もしくは伝達関数推定部で推定した与干渉となる可能性を有する他の通信ステムの受信局との伝搬チャネル情報とを合成して出力情報を生成するウエイト乗算・合成部と、アレー選択部にて選択されるアレーアンテナに対応するウエイト計算部で算出された重みづけ値を用いて送信信号に乗算する送信信号乗算部と、を備え、ウエイト計算部は、算出する前記重みづけ値として、最大干渉電力測定部で得られた最大電力に対応する信号を用いて、干渉波に対応する伝搬チャネル情報と当該重みづけ値を乗算して得られる値をゼロにするように重みづけ値を算出し、通信品質判定部は、ウエイト乗算・合成部より得られる出力情報と、与干渉信号量と通信品質情報とに基づき、選択するアレーアンテナを判定する構成を備える。
これにより、他の通信システム（Ｐｒｉｍａｒｙシステム：優先システム）への与干渉回避のためのアンテナ数が全干渉波の数よりも少ない場合でも、効率的に与干渉を回避できる。また、干渉回避による自システム（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム：新規システム）における通信品質劣化も抑えることが可能となる。

また、本発明のリレー通信システムは、他の通信システムに与干渉を与えることなく通信を行う、送信局と、中継局と、受信局とで構成され、送信局が、アレー選択部にてアレーアンテナの選択を行った際に、いずれのアレーアンテナにおいても所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たさないと判定した場合は、前記中継局において、リレー通信制御部の判定に基づく前記アレー選択部によるアレーアンテナの選択を行い、前記受信局において、リレー通信制御部の判定に基づく前記アレー選択部によるアレーアンテナの選択を行い、前記中継局及び前記受信局の前記アレー選択部にて選択されたアレーアンテナを用いて、前記中継局を介することにより所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たすアレーアンテナがあるとリレー通信制御部にて判定された場合は、該アレーアンテナを選択し、前記送信局から前記中継局、前記中継局から前記受信局へと通信を行う構成を備える。
これにより、送信局、中継局、および受信局において、他の通信システム（Ｐｒｉｍａｒｙシステム：優先システム）への与干渉回避のためのアンテナ数が全干渉波の数よりも少ない場合でも、効率的に与干渉を回避できる。また、自システム（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステム：新規システム）における通信品質劣化も抑えることができ、送信局、中継局、および受信局において、与干渉回避と所望信号の保護を、簡単な構成で、かつ少ないアンテナ数で効果的に実現できる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１と図２を用いて、本発明の第１の実施の形態に係るＣｏｇｎｉｔｉｖｅ無線のＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの端末装置となるアレーアンテナ装置を説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係わるアレーアンテナ装置の構成例を示す図である。また、図２は、図１に示す第１の実施の形態に係わるアレーアンテナ装置における処理の流れを説明するためのフローチャートである。

本発明のアレーアンテナ装置では、図１に示すように、複数の異なる直線上に配置された。アレーアンテナを複数用意し、これらを切り替えることでＳｅｃｏｎｄａｒｙノード間の通信品質を確保しながら効率よく与干渉を低減することを目的としている。

図１に示す例では、最も簡易なアンテナ構成として、アンテナ（＃１）１１、アンテナ（＃２）１２、アンテナ（＃３）１３の３本のアンテナ素子が、ｘ軸上（＃１と＃２）と、ｙ軸上（＃３と＃４）にアレーアンテナとして配置されている。ただし、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、例えば、ｘ軸上の代わりに原点を１素子目、原点から６０度方向に位置する素子を２素子目とし、これをアンテナ構成１とすると、アンテナ構成２の素子１は原点、素子２は、１５０度（９０＋６０＝１５０）度方向に位置するアンテナとしてよい。この場合、図１に示すように、アンテナ＃１については切替は行われず、アンテナ＃２か＃３のいずれかを切替の対象とする。

図１に示すアレーアンテナ装置において、２分岐スイッチ２１は、アンテナ（＃２）１２またはアンテナ（＃３）１３への接続を選択するスイッチである。アンテナ（＃１）１１は受信機（＃１）２２と送信機（＃１）２３に接続され、２分岐スイッチ２１で選択されたアンテナ（＃２または＃３）は受信機（＃２）２４と送信機（＃２）２５に接続される。なお、前述したアレー選択部は２分岐スイッチ２１が相当する。

受信機（＃１）２２および受信機（＃２）２４で受信された受信信号はメモリ３１に記憶される。伝達関数推定部３２は、メモリ３１に記憶された受信信号から、通信相手先の送信機との間の伝達関数を求める。また、伝達関数推定部３２は、与干渉となる可能性をもつ他システム（Ｐｒｉｍａｒｙシステム）からの信号の伝搬チャネル情報を推定する。干渉波数推定部３３は、観測可能なＰｒｉｍａｒｙシステムのユーザ数Ｌ（受信局の数）を推定する。

干渉電力測定部３４は、伝搬チャネル情報を推定したＰｒｉｍａｒｙシステムのユーザ、すなわち受信局の受信電力Ｐを測定する。この測定は、実際にはＰｒｉｍａｒｙシステムの上り信号（端末→基地局）からの信号を用いて行われる。この受信電力より、Ｐｒｉｍａｒｙシステムのユーザ、すなわち受信局が与干渉の対象かどうかを判定する。また、最大干渉電力測定部３５は、受信電力Ｐが最大となる干渉波の電力を測定する。

干渉信号加算部３６は、受信電力Ｐが所定の閾値α以上の場合に、受信機ごとの干渉信号の伝搬チャネル情報（ｈ１Ｎ，・・・・，ｈＩＮ）を通信相手の伝達関数に累積加算し、これを仮想受信信号とする。

ウエイト計算部３７は、受信電力Ｐが最大となる干渉波に対し、干渉除去を行うウエイト（重みづけ値）を計算する。このウエイト情報はメモリ４２に記憶される。これは、最も大きな受信電力となる干渉波に優先的に指向性のヌルを形成するためである。干渉除去を行うウエイト（重みづけ値）はゼロフォーシングやＭＭＳＥ(Minimum Mean Square Error)法などの従来のアダプティブアレーで求められる簡易な方法で実現できる。

ウエイト乗算・合成部３８は、ウエイト計算部３７で求められたウエイトと、干渉信号加算部３６で得た仮想受信信号とを乗算し、また、干渉信号の伝搬チャネルとウエイトとを乗算し、これらを合成する。この合成結果は出力情報としてメモリ３９に記憶される。

アンテナ選択部４０は、２分岐スイッチ２１を操作して、通信に使用するアレーアンテナを選択する機能を有する。また、アンテナ選択部４０内の通信品質判定部４１は、ウエイト乗算・合成部３８で求めた出力情報を基に、どのアンテナが適切かを判定する。この通信品質判定部４１における判定では、まず、与干渉信号量がすべてのＰｒｉｍａｒｙシステムの受信局にとって問題ないかを判定し、これを満たしたアレーアンテナを用いて仮想受信信号の品質を判定する。この仮想受信信号の品質がＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの要求条件を満たしている場合に、アンテナ選択部４０は送信に使用するアンテナとして選択する。

送信ウエイト乗算部４４は、アンテナ選択部４０内の通信品質判定部４１により選択されたアンテナに対応して、ウエイト計算部３７で求めたウエイトを、送信信号生成部４３により生成される送信信号に乗算する。送信ウエイト乗算部４４から出力されるウエイト乗算された送信信号は、送信機（＃１）２３、および送信機（＃２）２５に送られ、アレーアンテナアンテナ（＃１、＃２）またはアレーアンテナ（＃１、＃３）により送信される。

次に、図２に示すフローチャートを参照して、図１に示すアレーアンテナ装置の動作の流れについて説明する。
最初に、（Ｍ−１）分岐スイッチをアンテナ＃Ｎ側に選択する（ステップＳ１）。図１に示す構成の場合は、Ｎ（構成できるアレーアンテナの数）＝２、Ｍ（アンテナ素子数）＝３であり、２分岐スイッチ２１となる。

次に、通信相手の伝達関数（ｈ１ｄ，・・・・，ｈＩｄ）を伝達関数推定部３２で推定する（ステップＳ２）。ここで、IはＮ番目のアレーアンテナにおいて、I本のアンテナが存在することを示している。よって図１の場合はＩ＝２となる。添え字ｄは所望信号の意味である。これは干渉回避ウエイトを作成した場合に、このウエイトを用いた場合の所望信号の特性を把握するためである。

次に、観測可能なＰｒｉｍａｒｙシステムのユーザ数Ｌ（受信局の数）を、図１の干渉波数推定部３３で推定する（ステップＳ３）。この推定したＰｒｉｍａｒｙユーザ数（受信局の数）の伝搬チャネル情報（ｈ１Ｎ，・・・ｈＩＮ）と受信電力Ｐとを、図１の伝達関数推定部３２と干渉波電力測定部３４で推定する。これは、実際はＰｒｉｍａｒｙシステムの上り信号（端末→基地局）からの信号を用いて行われる。この受信電力Ｐより、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの受信局が与干渉の対象かどうかを判定する（ステップＳ４）。

ステップ５の閾値αは、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの受信局の干渉許容値がＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムに予め記憶されていれば設定可能である。受信電力Ｐがこの閾値αより小さい場合は（ステップＳ５：Ｎｏ）、与干渉は問題にならないとして廃棄し、閾値α以上の場合は（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの受信局ごとの干渉信号の伝搬チャネル情報（ｈ１Ｎ、・・・・、ｈＩＮ）を通信相手の伝達関数に累積加算し、これを仮想受信信号とする。この演算は、図１の干渉信号加算部３６で行われる（ステップＳ６）。

この干渉信号加算部３６では、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの受信局ごとに、
ｈ１ｄ＋ｈ１Ｎ＋ｘ１，ｈ２ｄ＋ｈ２Ｎ＋ｘ２，・・・・，ｈＩｄ＋ｈＩＮ＋ｘＩ、
のそれぞれを順に、ｘ１，ｘ２，・・・・，ｘＩに代入する。

上記ステップＳ４〜ステップＳ６のフローを、Ｋの値がＬになるまでＫを１ずつ加算することにより、推定したＰｒｉｍａｒｙシステムの受信局の数だけ繰り返す。

この後、ウエイト計算部３７により、受信電力Ｐが最大となる干渉波に対し、干渉除去を行うウエイト（重みづけ値）を計算する（ステップＳ７）。これは、もっとも大きな受信電力となる干渉に優先的に指向性のヌルを形成するためである。干渉除去を行うウエイトはゼロフォーシングやＭＭＳＥ法などの従来のアダプティブアレーで求められる簡易な方法で実現できる。

次に、図１のウエイト乗算・合成部３８を用いて、ステップＳ７で求められたウエイトと、ステップＳ６で得た仮想受信信号ｘ１，・・・・，ｘＩとを乗算し合成する。仮想受信信号とウエイトを乗算すると、理想的には、干渉波成分だけが除去され、所望信号だけが残ることになる。干渉信号と所望信号の伝搬チャネルの相関が高い場合，干渉信号の除去で所望信号の品質が劣化することが知られている。従って、これが推定した所望信号の品質を表すことになる。

また、ステップＳ６で使用すると判定した干渉波の伝搬チャネルとウエイトを乗算し合成する。干渉信号とウエイトを乗算した場合、理想的には全部の干渉信号を０にできるようにウエイトを制御できればベストであるが、前述したように、アンテナ本数が限られているため最大電力の干渉波を０にするようにウエイトを制御する。従って、最大電力であると推定された干渉波については、このウエイトを用いても必ずしも干渉信号とウエイトとの乗算値が０とならず、これにより乗算値が干渉電力に相当することになる（ステップＳ８）。

上記ステップＳ１〜ステップＳ８までのフローをアレーアンテナの組合せ数（図２の場合はＮ＝Ｍ＝３）まで繰り返し、出力信号をそれぞれ得る。

最後に、アンテナ選択部４０内の通信品質判定部４１により、どのアンテナが適切かを、ステップＳ８で求めた出力情報を基に判定する。まず、与干渉信号量がすべてのＰｒｉｍａｒｙシステムの受信局にとって問題ないかを判定する。次に、これを満たしたアレーアンテナを用いて仮想受信信号の品質を判定する。アンテナ選択部４０では、この仮想受信信号の品質がＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムの要求条件を満たしている場合のアンテナを選択する（ステップＳ９）。ここで、判定される通信品質は、前述したように仮想受信信号とウエイトを乗算した値そのものであり、この値は、ＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise Ratio）に対応しており、このＳＩＮＲを用いて所望信号に対する通信品質が判定されることになる。

そして、送信ウエイト乗算部４４および送信機（＃１または＃２）により、ステップＳ９の条件を満たすアンテナを用い、かつ、このアンテナに対応する、ステップＳ７で求めたウエイトを用いて送信を行う（ステップＳ１０）。

図３に、あるＰｒｉｍａｒｙシステムの受信局とＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムシステムを想定した場合の、本発明のアレーアンテナを用いたアンテナパターンの一例を示す。ここでは、アレーアンテナ数を２とし、図１に示すアンテナ構成を用いている。ここでは、３個のＰｒｉｍａｒｙシステムの受信局１、２、３を想定している。干渉波電力の関係は、受信局１がもっともＳｅｃｏｎｄａｒｙシステムに近く、干渉波ａ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ送信局からＰｒｉｍａｒｙ受信局１に与える干渉波）を一番回避すべき干渉波と仮定する。干渉波ｂ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ送信局からＰｒｉｍａｒｙ受信局２に与える干渉波）と干渉波ｃ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ送信局からＰｒｉｍａｒｙ受信局３に与える干渉波）は、干渉波ａほど大きくないが、与干渉となる可能性のある干渉であり、完全に指向性ヌルではなくてもある程度除去しないといけない。

これに対し、本発明では、ｙ軸上にもアンテナが配置されている。最も回避したい干渉波１に対しヌルを形成するのは、従来と同じであるが、本発明では、干渉波を除去したことにより生じるグレーティングヌルが別の方向にできる。本発明では、これらｘ軸，ｙ軸の異なるアンテナ配置の異なるグレーティングヌルの発生を利用して、各干渉波ができるだけ回避でき、かつ所望信号の劣化ができるだけ生じないようにアンテナを選択する。

図３に示す例では、実線で示すｙ軸のパターン１（Pattern1）が、明らかに破線で示すｘ軸のパータン２（Pattern2）よりも特性がよい。よって、y軸のアンテナを選択する。また、この発明のポイントは、必ずしもヌルを向ける必要のない干渉波は、グレーティングヌル付近に位置していれば十分に除去できることを示している。

以上説明したように、本発明のアレーアンテナ装置を用いれば、異なるグレーティングヌルの利用により、与干渉回避と所望信号の保護をより少ないアンテナ数で実現できる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の実施の形態に係わるアレーアンテナ装置のアンテナ部の構成例を示す図である。図１に示した第１の実施の形態では、切替がｘ，yの２個の軸であったが、図３で説明した効果をより得ることができるアンテナ構成を示す。

まず、図４（ａ）は、図１の場合とは異なり、正三角形状に配置された３種類のアレーアンテナ（＃１，＃２）、（＃２，＃３）、（＃３，＃１）を選択できる構成となっている。また、分岐スイッチは、３入力２出力のスイッチ２１Ａとなる。３入力２出力スイッチ２１Ａは、図１の２分岐スイッチ２１よりも構成が複雑になるが、そのかわり、選択できるアレーアンテナ数が、図１の場合よりも多くなるという利点がある。

なお、図５に、図４（ａ）に示すアレーアンテナを使用した、アレーアンテナ装置の構成例を示す。図５に示す構成が、図１に示す第１の実施の形態のアレーアンテナ装置と構成上、異なるのは、図１に示したアレーアンテナ（＃１、＃２、＃３）の構成が、図４（ａ）に示すアレーアンテナ（＃１、＃２、＃３）に変更された点と、図１の２分岐スイッチ２１の代わりに、３入力２出力スイッチ２１Ａを使用した点である。他の構成部分と動作は、図１に示すアレーアンテナ装置と同様であり、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

また、図４（ｂ）に、図４（ａ）とは異なるアンテナ配置とスイッチの構成を示す。この構成の特徴は、アレーアンテナの素子として＃１を共通化する点は図４（ａ）の例と同じであるが、１２０度間隔で配置される３種類のアレーアンテナ（＃１，＃２）（＃１，＃３）（＃１，＃４）を選択できる構成となっている。このような構成とすることで、３入力１出力スイッチ２１Ｂでスイッチが実現できる。アンテナ素子数は図４（ａ）の場合よりも多くなるが、端末のような小規模なアンテナの場合、アンテナのみだけだと設置スペースやハードの負担も少なく、３入力１出力スイッチ２１Ｂは、図４（ａ）の３入力２出力スイッチ２１Ａよりも簡易に実現できるという利点がある。

また、図４（ｃ）に、図１、図４（ａ）および図４（ｂ）とは異なるアンテナ配置とスイッチの構成を示す。図１、図４（ａ）、図４（ｂ）では平面にアンテナを配置することを考えていたが、図４（ｃ）の具体的な構成として、ｘ，ｙ，ｚ面にそれぞれアレーアンテナを配置することが考えられる。この場合、３次元平面でグレーティングヌル方向を補間するという利点がある。

［第３の実施の形態］
以上説明した例では、アンテナの切り替えのみにより、異なるグレーティングヌルを選択することで、できるだけ与干渉を回避しながら所望信号を保護することを示していた。

しかし、本発明では、各アレーアンテナは、図３に示すようにもっとも大きな影響を与えるＰｒｉｍａｒｙシステムの受信局の方向と同じ方向にヌルを形成する。このため、運が悪く、所望波方向と干渉方向が完全に一致する場合、やはり特性は劣化する。具体的には、図２のフローチャートの説明では、与干渉はすべて抑えることができても、所望波に対する品質が満たせない場合が該当する。

本発明の第３の実施の形態は、当該場合に対する対応として、図６に示すリレー技術を第１の実施の形態に適用したものである。図６に示すように、リレー通信とは、例えばセンサーネットワークのような、たくさんの通信端末が配置されている環境で、あるノード間の通信品質が悪くなった際に、他のノードを中継ノードとして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の実施の形態や第２の実施の形態のみで十分に特性が得られる場合は、このような方法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７は、本発明の第３の実施の形態に係わるアレーアンテナ装置の構成を示す図である。図７に示すアレーアンテナ装置は、リレー通信システムを構成する、送信局、中継局、および受信局のそれぞれに設備されるアレーアンテナ装置である。

図７に示す構成が、図１に示す第１の実施の形態のアレーアンテナ装置と構成上、異なるのは、図１に示した第１の実施の形態に係わるアレーアンテナ装置のアンテナ選択部４０内の通信品質判定部４１に代えて、図７に示すリレー通信制御部４１Ａを使用する点であり、他の構成部分は図１に示すアレーアンテナ装置と同様であるので、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

なお、使用するアレーアンテナとしては、図７に示す例では、２素子からなる第１のアレーアンテナと、第１のアレーアンテナとは略９０度異なる方向に配置される第２のアレーアンテナとで構成されるアレーアンテナを使用しているが、図４（ａ）に示す正三角形状に３つのアレーアンテナ（＃１，＃２）、（＃２，＃３）、（＃３，＃１）を配置したアンテナを使用してもよい。また、図４（ｂ）に示す、第１のアレーアンテナと、第１のアレーアンテナとは略１２０度異なる方向に配置される第２のアレーアンテナと、第１および第２のアレーアンテナとそれぞれ１２０度異なる角度に配置される第３のアレーアンテナとで構成されるアンテナを使用してもよい。さらに、図４（ｃ）に示すアンテナを使用しもよい。

図８は、本発明の第３の実施の形態の動作の流れを示すフローチャートである。
以下、図８に示すフローチャートを参照して、リレー通信制御部４３を使用した処理の流れについて説明する。
図８に示すように、最初のフロー（ステップＳ２１）は、図２に示す第1の実施の形態におけるフローチャート（ステップＳ１〜Ｓ９）と同じである。ここでは、このフローをフローＡと呼ぶ。このフローＡの処理の後、リレー通信制御部４１Ａでは、通信品質がある所望の閾値β（本発明の所定の閾値）を満たすかどうかを判定する（ステップＳ２２）。

この閾値βはシステムに依存するが、システムごとで定められる値となる。通信品質が所望の閾値βを満たす場合（閾値β以上の場合）は（ステップＳ２２：Ｎｏ）、通信を開始する（ステップＳ２３）。通信品質の値が閾値βを満たさない場合（閾値β未満の場合）は（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムの送信局から受信局への方向と、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの受信局へ形成したヌル方向が完全に一致すると判定し、リレーを行うように判定する。

その後、送信局と中継局との間でフローＡを行い（ステップＳ２４）、中継局と受信局の間において同様にフローＡを行う（ステップＳ２５）。最後に、再度通信品質を判定し（ステップＳ２６）、通信品質の値が閾値βを満たす場合（閾値β以上の場合）は（ステップＳ２６：Ｎｏ）、選択した中継局およびアレーアンテナを使用して通信を開始する（ステップＳ２７）。所望の閾値βを満たさない場合（閾値β未満の場合）は（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、他の中継ノードを検索する。なお、候補となる中継局に所望品質を満たすものがない場合は、処理を終了する（ステップＳ２８）。

このように、本発明の第３の実施の形態を適用すれば、第１の実施の形態および第２の実施の形態において、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙシステムの送信局から受信局への方向と、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの受信局へ形成したヌル方向が一致する場合に生じる問題を解消することができる。

以上説明したように、本発明のアレーアンテナ装置においては、Ｐｒｉｍａｒｙシステムの与干渉回避のためのアンテナ数が全干渉波の数よりも少ない場合でも効率的に与干渉を回避できる。また、干渉回避のために形成したヌルによるＳｅｃｏｎｄａｒｙシステム間の通信品質劣化も抑えることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係わるアレーアンテナ装置の構成を示す図である。 図１に示すアレーアンテナ装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明のアレーアンテナを用いたアンテナパーンの一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係わるアンテナ部の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係わるアレーアンテナ装置の構成を示す図である。 リレー通信の概念を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係わるアレーアンテナ装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係わるアレーアンテナ装置の動作を説明するためのフローチャートである。 Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ無線の概念の一例を示す図である。 アダプティブアレーの動作原理を示す図面である。 指向性のヌルにより干渉回避を実現する例を示す図である。

符号の説明

１１、１２、１３・・・アンテナ、２１・・・２分岐スイッチ、２１Ａ・・・３入力２出力スイッチ、２１Ｂ・・・３入力１出力スイッチ、３１、３６、４２・・・メモリ、３２・・・伝達関数推定部、３３・・・干渉波数推定部、３４・・・干渉波電力測定部、３５・・・最大干渉電力測定部、３６・・・干渉信号加算部、３７・・・ウエイト計算部、３８・・・ウエイト乗算・合成部、４０・・・アンテナ選択部、４１・・・通信品質判定部、４１Ａ・・・リレー通信制御部、４３・・・送信信号生成部、４４・・・送信ウエイト乗算部、

Claims (12)

1. Ｎ本のアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子にそれぞれ接続されるＮ個（Ｎ≧２）の送信機とＮ個の受信機と、
   異なる軸上に直線状に配置されるＮ本（Ｎ≧２）のアンテナ素子を有するＭ個（Ｍ≧２）のアレーアンテナ群と、
   前記アレーアンテナ群のうちから、通信に用いるアレーアンテナを選択するアレー選択部と、
   通信相手の伝達関数を推定すると共に、与干渉となる可能性を有する他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報を推定する伝達関数推定部と、
   前記伝達関数推定部より推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムの受信局数を推定する干渉数推定部と、
   前記他の通信システムから受信した干渉波の最大電力を測定する最大干渉電力測定部と、
   前記アレーアンテナ群に含まれるアレーアンテナごとに、前記アレーアンテナから得られるそれぞれの受信信号の情報を基に、前記アレーアンテナのそれぞれに対し、前記他の通信システムの受信局への干渉波を除去するための重みづけ値を算出するウエイト計算部と、
   前記ウエイト計算部で算出された重みづけ値と前記受信信号を乗算し、また、前記算出された重み付け値と前記伝達関数推定部で推定した与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報とを乗算し、これらを合成して出力情報を生成するウエイト乗算・合成部と、
   前記アレー選択部にて選択されるアレーアンテナに対応する前記ウエイト計算部で算出された重みづけ値を用いて送信信号に乗算する送信信号乗算部と、
   を備え、
   前記ウエイト計算部は、
   算出する前記重みづけ値として、前記最大干渉電力測定部で得られた最大電力となる前記干渉波の干渉除去を行う前記重みづけ値を算出し、
   前記アレー選択部は、
   前記ウエイト乗算・合成部より得られる出力情報と、前記アレーアンテナごとに得られる前記他の通信システムの受信局への与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とに基づき、選択するアレーアンテナを判定する
   ことを特徴とするアレーアンテナ装置。
2. 前記アレーアンテナ群は、
   直線上に配置される２素子からなる第１のアレーアンテナと、
   前記第１のアレーアンテナと１素子を共有し、かつ前記第１のアレーアンテナとは略９０度異なる方向に直線上に配置される２素子からなる第２のアレーアンテナとからなり、
   前記第１のアレーアンテナと第２のアレーアンテナのうち、前記第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ない２素子のアンテナのうちから1素子のアンテナを選択する２分岐スイッチを備え、
   前記送信機と前記受信機は、
   前記第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るアンテナ素子に接続される第１の送信機と第１の受信機と、
   前記２分岐スイッチにより選択されたアンテナ素子に接続される第２の送信機と第２の受信機と、からなり、
   前記アレー選択部は、
   前記２分岐スイッチを切り替えることにより前記アレーアンテナ群のうちから、通信に用いるアレーアンテナを選択する
   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。
3. 前記アレーアンテナ群は、
   正三角形状に３本のアンテナ素子を配置し、前記正三角形の各辺のアンテナ素子により３つのアレーアンテナからなり、
   前記３本のアンテナ素子から２本のアンテナ素子を選択する３入力２出力スイッチを備え、
   前記送信機と前記受信機は、
   前記３入力２出力スイッチの一方の出力に接続される第１の送信機と第１の受信機と、
   前記３入力２出力スイッチの他方の出力に接続される第２の送信機と第２の受信機と、からなり、
   前記アレー選択部は、
   前記３入力２出力スイッチを切り替えることにより前記アレーアンテナ群のうちから、通信に用いるアレーアンテナを選択する
   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。
4. 前記アレーアンテナ群は、
   ２素子のアンテナを直線上に配置した第１のアレーアンテナと、
   前記第１のアレーアンテナと１素子は共有し、かつ前記第１のアレーアンテナとは略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子のアンテナからなる第２のアレーアンテナと、
   前記第１のアレーアンテナおよび第２のアレーアンテナと１素子は共有し、かつ前記第１および第２アレーアンテナのそれぞれと略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子のアンテナからなる第３のアレーアンテナとからなり、
   前記第１、第２および第３のアレーアンテナうち、前記第１、第２および第３のアレーアンテナで共有されない３つのアンテナ素子のうちから１つのアンテナ素子を選択する３分岐スイッチを備え、
   前記送信機と前記受信機は、
   前記第１、第２、および第３のアレーアンテナで共有されるアンテナ素子に接続される第１の送信機と第１の受信機と、
   前記３分岐選択スイッチにより選択された１つのアンテナ素子に接続される第２の送信機と第２の受信機と、からなり、
   前記アレー選択部は、
   前記３分岐スイッチを切り替えることにより前記アレーアンテナ群のうちから、通信に用いるアレーアンテナを選択する
   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。
5. Ｎ本のアンテナ素子と、前記アンテナ素子にそれぞれ接続されるＮ個（Ｎ≧２）の送信機とＮ個の受信機とを有し、前記受信機に入力された入力信号の情報を基に、他の通信システムへの干渉波を除去するアレーアンテナ装置におけるアレーアンテナの通信方法であって、
   異なる軸上に直線状に配置されるＮ本（Ｎ≧２）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から、通信に用いるアレーアンテナを選択するアレー選択手順と、
   前記アレーアンテナ群に含まれるアレーアンテナごとに、前記アレーアンテナから得られるそれぞれの受信信号の情報を基に、前記アレーアンテナのそれぞれに対し、他の通信システムの受信局への干渉波を除去するための重みづけ値を算出するウエイト計算手順と、
   通信相手の伝達関数を推定すると共に、与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報を推定する伝達関数推定手順と、
   前記推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムの受信局数を推定する干渉数推定手順と、
   前記他の通信システムから受信した干渉波の最大電力を測定する最大干渉電力測定手順と、
   前記ウエイト計算手順にて、前記最大干渉電力測定手順で得られた最大電力となる前記干渉波の干渉除去を行う前記重みづけ値を算出する手順と、
   前記算出された重みづけ値と前記受信信号を乗算し、また、前記算出された重み付け値と前記伝達関数推定手順にて推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報とを乗算し、これらを合成して出力情報を生成するウエイト乗算・合成手順と、
   前記ウエイト乗算・合成手順より得られる出力情報と、前記アレーアンテナ群から得られる他の通信システムへの与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とを基に、前記アレー選択手順にて選択されるアレーアンテナを判定する判定手順と、
   を含むことを特徴とするアレーアンテナの通信方法。
6. 直線上に配置される２素子からなる第１のアレーアンテナと、前記第１１のアレーアンテナ群と1素子を共有し、かつ前記第１のアレーアンテナとは略９０度異なる方向に直線上に配置される２素子からなる第２のアレーアンテナと、前記第１のアレーアンテナと第２のアレーアンテナのうち、前記第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ない２素子のアンテナのうちから1素子のアンテナを選択する２分岐スイッチと、前記２分岐スイッチで選択された1素子のアンテナと接続される第１の送信機と第１の受信機と、前記第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るアンテナ素子に接続される第２の送信機と第２の受信機と、を備えるアレーアンテナ装置におけるアレーアンテナの通信方法であって、
   対象とするアレーアンテナに前記２分岐スイッチを切り替えるアレー選択手順と、
   前記アレーアンテナ群に含まれるアレーアンテナごとに、前記アレーアンテナから得られるそれぞれの受信信号の情報を基に、前記アレーアンテナのそれぞれに対し、他の通信システムの受信局への干渉波を除去するための重みづけ値を算出するウエイト計算手順と、
   通信相手の伝達関数を推定すると共に、与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報を推定する伝達関数推定手順と、
   前記推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムの受信局数を推定する干渉数推定手順と、
   前記他の通信システムから受信した干渉波の最大電力を測定する最大干渉電力測定手順と、
   前記ウエイト計算手順にて、前記最大干渉電力測定手順で得られた最大電力となる前記干渉波の干渉除去を行う前記重みづけ値を算出する手順と、
   前記算出された重みづけ値と前記受信信号を乗算し、また、前記算出された重み付け値と前記伝達関数推定手順にて推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報とを乗算し、これらを合成して出力情報を生成するウエイト乗算・合成手順と、
   前記ウエイト乗算・合成手順より得られる出力情報と、前記アレーアンテナ群から得られる他の通信システムへの与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とを基に、前記アレー選択手順にて選択されるアレーアンテナを判定する判定手順と、
   を含むことを特徴とするアレーアンテナの通信方法。
7. 正三角形状に３本のアンテナ素子を配置し、前記正三角形の各辺のアンテナ素子により３つのアレーアンテナを形成すると共に、前記３本のアンテナ素子から２本のアンテナ素子を選択する３入力２出力スイッチと、前記３入力２出力スイッチの一方の出力に接続される第１の送信機と第１の受信機と、前記３入力２出力スイッチの他方の出力に接続される第２の送信機と第２の受信機と、を備えるアレーアンテナ装置におけるアレーアンテナの通信方法であって、
   対象とするアレーアンテナに前記２分岐スイッチを切り替えるアレー選択手順と、
   前記アレーアンテナ群に含まれるアレーアンテナごとに、前記アレーアンテナから得られるそれぞれの受信信号の情報を基に、前記アレーアンテナのそれぞれに対し、他の通信システムの受信局への干渉波を除去するための重みづけ値を算出するウエイト計算手順と、
   通信相手の伝達関数を推定すると共に、与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報を推定する伝達関数推定手順と、
   前記推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムの受信局数を推定する干渉数推定手順と、
   前記他の通信システムから受信した干渉波の最大電力を測定する最大干渉電力測定手順と、
   前記ウエイト計算手順にて、前記最大干渉電力測定手順で得られた最大電力となる前記干渉波の干渉除去を行う前記重みづけ値を算出する手順と、
   前記算出された重みづけ値と前記受信信号を乗算し、また、前記算出された重み付け値と前記伝達関数推定手順にて推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報とを乗算し、これらを合成して出力情報を生成するウエイト乗算・合成手順と、
   前記ウエイト乗算・合成手順より得られる出力情報と、前記アレーアンテナ群から得られる他の通信システムへの与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とを基に、前記アレー選択手順にて選択されるアレーアンテナを判定する判定手順と、
   を含むことを特徴とするアレーアンテナの通信方法。
8. ２素子のアンテナを直線上に配置した第１のアレーアンテナと、前記第１のアレーアンテナと１素子は共有し、かつ前記第１のアレーアンテナとは略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子のアンテナからなる第２のアレーアンテナと、前記第１のアレーアンテナおよび第２のアレーアンテナと１素子は共有し、かつ前記第１および第２アレーアンテナのそれぞれと略１２０度異なる方向に直線上に配置される２素子のアンテナからなる第３のアレーアンテナと、前記第１、第２および第３のアレーアンテナうち、前記第１、第２および第３のアレーアンテナで共有されない３つのアンテナ素子のうちから１つのアンテナ素子を選択する３分岐スイッチと、前記第１、第２、および第３のアレーアンテナで共有されるアンテナ素子に接続される第１の送信機と第１の受信機と、前記３分岐選択スイッチにより選択された１つのアンテナ素子に接続される第２の送信機と第２の受信機と、を備えるアレーアンテナ装置におけるアレーアンテナの通信方法であって、
   対象とするアレーアンテナに前記２分岐スイッチを切り替えるアレー選択手順と、
   前記アレーアンテナ群に含まれるアレーアンテナごとに、前記アレーアンテナから得られるそれぞれの受信信号の情報を基に、前記アレーアンテナのそれぞれに対し、他の通信システムの受信局への干渉波を除去するための重みづけ値を算出するウエイト計算手順と、
   通信相手の伝達関数を推定すると共に、与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報を推定する伝達関数推定手順と、
   前記推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムの受信局数を推定する干渉数推定手順と、
   前記他の通信システムから受信した干渉波の最大電力を測定する最大干渉電力測定手順と、
   前記ウエイト計算手順にて、前記最大干渉電力測定手順で得られた最大電力となる前記干渉波の干渉除去を行う前記重みづけ値を算出する手順と、
   前記算出された重みづけ値と前記受信信号を乗算し、また、前記算出された重み付け値と前記伝達関数推定手順にて推定された与干渉となる可能性を有する前記他の通信システムからの信号の伝搬チャネル情報とを乗算し、これらを合成して出力情報を生成するウエイト乗算・合成手順と、
   前記ウエイト乗算・合成手順より得られる出力情報と、前記アレーアンテナ群から得られる他の通信システムへの与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とを基に、前記アレー選択手順にて選択されるアレーアンテナを判定する判定手順と、
   を含むことを特徴とするアレーアンテナの通信方法。
9. 他の通信システムに与干渉を与えることなく通信を行う、送信局と、中継局と、受信局とで構成されるリレー通信システムであって、
   前記送信局、中継局と、および受信局は、
   それぞれ請求項１に記載のアレーアンテナ装置を備えており、
   それぞれの前記アレーアンテナ装置は、
   前記受信機に入力された入力信号の情報を基に、前記他の通信システムの受信局への干渉波を除去するように構成されており、
   前記アレー選択部は、
   前記ウエイト乗算・合成部より得られる出力情報と、前記アレーアンテナ群から得られる他の通信システムへの与干渉信号量と、自装置が属する通信システムの通信品質情報とを基に、選択するアレーアンテナを判定するリレー通信制御部と、
   を備え、
   前記送信局の前記リレー通信制御部が、前記アレー選択部にてアレーアンテナの選択を行った際に、いずれのアレーアンテナにおいても所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たさないと判定した場合は、
   前記中継局において、前記リレー通信制御部の判定に基づく前記アレー選択部によるアレーアンテナの選択を行い、
   前記受信局において、前記リレー通信制御部の判定に基づく前記アレー選択部によるアレーアンテナの選択を行い、
   前記中継局及び前記受信局の前記アレー選択部にて選択されたアレーアンテナを用いて、前記中継局を介することにより所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たすアレーアンテナがあると前記リレー通信制御部にて判定された場合は、該アレーアンテナを選択し、前記送信局から前記中継局、前記中継局から前記受信局へと通信を行う
   ことを特徴とするリレー通信システム。
10. 前記中継局及び前記受信局の前記アレー選択部にて選択されたアレーアンテナを用いて、前記中継局を介することにより所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たすアレーアンテナがあると前記リレー通信制御部にて判定されない場合は、前記アレー選択部は候補となる他の中継局を選択する
    ことを特徴とする請求項９に記載のリレー通信システム。
11. 他の通信システムに与干渉を与えることなく通信を行う、送信局と、中継局と、受信局とで構成される通信システムにおけるリレー通信方法であって、
    請求項５に記載のアレーアンテナの通信方法に含まれる手順と、
    前記判定手順によって判定された結果に基づいて、前記アレー選択手順にて選択されるアレーアンテナを判定するリレー通信制御手順と、
    を含み、
    前記送信局が、前記アレーアンテナの選択を行った際に、いずれのアレーアンテナにおいても所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たさないと前記リレー通信制御手順にて判定した場合は、
    前記中継局において、前記リレー通信制御手順の判定に基づく前記アレー選択手順によるアレーアンテナの選択を行い、
    前記受信局において、前記リレー通信制御手順の判定に基づく前記アレー選択手順によるアレーアンテナの選択を行い、
    前記中継局及び前記受信局の前記アレー選択手順にて選択されたアレーアンテナを用いて、前記中継局を介することにより所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たすアレーアンテナがあると前記リレー通信制御手順にて判定された場合は、該アレーアンテナを選択し、前記送信局から前記中継局、前記中継局から前記受信局へと通信を行う
    ことを特徴とするリレー通信方法。
12. 前記中継局及び前記受信局の前記アレー選択部にて選択されたアレーアンテナを用いて、前記中継局を介することにより所望波に対する通信品質が所定の閾値を満たすアレーアンテナがあると前記リレー通信制御手順にて判定されない場合は、前記アレー選択手順にて候補となる他の中継局を選択する
    ことを特徴とする請求項１１に記載のリレー通信方法。

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