JP4925502B2 - アレーアンテナ、方位推定装置、通信装置及び方位推定方法 - Google Patents
アレーアンテナ、方位推定装置、通信装置及び方位推定方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4925502B2 JP4925502B2 JP2000242961A JP2000242961A JP4925502B2 JP 4925502 B2 JP4925502 B2 JP 4925502B2 JP 2000242961 A JP2000242961 A JP 2000242961A JP 2000242961 A JP2000242961 A JP 2000242961A JP 4925502 B2 JP4925502 B2 JP 4925502B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- array
- azimuth
- array antenna
- array elements
- estimation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアレーアンテナ、方位推定装置、通信装置及び方位推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信品質や周波数利用効率の向上を図る技術として、伝搬環境に応じてアンテナの指向性をダイナミックに変化させるアンテナ指向性制御技術が注目されている。そして、アンテナ指向性制御技術の代表的なものとして、アレーアンテナとディジタル信号処理を用いるアダプティブアレーがあげられる。
【０００３】
アダプティブアレーは、一般にアレーアンテナにおける受信のディジタル信号を何らかの既知情報に基づいて解析することによりアレー素子の重み係数を求めて指向性を形成する。そして、既知情報の１つが到来電波の方位である。仮に所望波と干渉波の方位が判かれば、所望波の方位にアレーアンテナの指向性のピークを向け、干渉波の方位にヌルを向けるような制御を行うことで通信品質を向上させることができる。
【０００４】
一方、到来電波の方位推定技術は、基地局における通信端末の位置検出としても注目されており、空間的なトラフィック情報を用いたダイナッミクチャネル割当に利用することができるだけでなく、不法電波の監視装置などへの適応も検討されている。
【０００５】
アレーアンテナの受信信号から到来電波の方位を高精度に推定する手法として、MUSIC（MUltiple SIgnal Classification）法に代表される固有空間法が上げられる。固有空間法は各アレー素子で受信された複素ディジタル信号から得られる共分散行列の固有ベクトルを利用する。MUSIC法の詳細は、R.O.Schmidt, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Trans. AP-３４, ３, １９８６に記載されている。
【０００６】
アレーアンテナを用いて到来電波の方位推定を行う場合、推定精度と複数波到来時の分解能は、アレーアンテナを構成するアレー素子数、各アレー素子の指向性、及びアレー素子が配置される空間的な位置関係などに依存する。
【０００７】
ここで、到来波の水平方向の方位推定を行うために、各アレー素子を円形に配置するのが一般的である。そして、平面上にアレー素子を配置すると、水平方向だけでなく鉛直方向も含めて到来波の方位を推定することができる。特に円形アレーを鉛直方向に複数段重ねるように配置し、全体として円筒形状になるようにすることで鉛直方向の推定精度を向上させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、円形アレーを鉛直方向に複数段重ねると、アレー素子数が増加するためコスト面で不利となり、しかも、入力端が増加するため信号処理の演算量も増加してしまう。
【０００９】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、到来電波の水平方向及び鉛直方向の方位推定を行う場合において、アレー素子数及び演算量を増加させずに鉛直方向の推定精度と複数波到来時の分解能の向上を図ることができるアレーアンテナ、方位推定装置、通信装置及び方位推定方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の方位推定装置は、複数のアンテナをアレー素子として使用し、各アレー素子を地面からの高さが互いに異なり、鉛直方向に互いに重ならないように配置したアレーアンテナと、前記各アレー素子に受信された無線周波数信号を中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する受信周波数変換手段と、この受信周波数変換手段のアナログ出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、このＡ／Ｄ変換手段から出力されたディジタル信号を用いて到来電波の水平方向方位角及び鉛直方向方位角を推定する方位推定手段とを具備する構成を採る。
【００１１】
この構成により、同一平面内に円形配置したアレーアンテナを用いた場合と比較して、アレー素子数及び演算量の増加を抑え、鉛直方向の方位推定精度及び分解能を向上させることができる。
【００１２】
本発明の方位推定装置は、１つの螺線上にアレーアンテナの各アレー素子を配置する構成を採る。
【００１３】
本発明の方位推定装置は、水平投影面上においてアレーアンテナの各アレー素子が等間隔となるように前記各アレー素子を配置する構成を採る。
【００１４】
これらの構成により、到来波の水平方向の方位に対する精度を均一に保つことができる。
【００１５】
本発明の方位推定装置は、水平投影面上においてアレーアンテナの各アレー素子の間隔が不均一となるように前記各アレー素子を配置する構成を採る。
【００１６】
この構成により、特定方位の到来電波に対する推定精度の劣化を防ぐことができる。これは、アレーアンテナのアレー素子数が少ない場合に特に有効である。
【００１７】
本発明の方位推定装置は、方位推定手段にて推定された到来電波の水平方向方位角及び鉛直方向方位角に基づいて、送信源の位置を算出する位置算出手段を具備する構成を採る。
【００１８】
この構成により、送信源の位置を算出することができる。しかも、到来電波の水平方向及び鉛直方向の方位に基づいて送信源の位置を算出するため、伝搬遅延に基づいて送信源の位置を算出する場合に比べて精度が高い。
【００１９】
本発明の指向性制御アンテナ装置は、上記いずれかの方位推定装置にて得られたディジタル信号と到来電波の水平方向方位角及び鉛直方向方位角に基づいて受信重み係数を求める受信重み係数算出手段と、この受信重み係数算出手段によって得られた受信重み係数を用いて前記アレーアンテナの指向性合成を行う受信ビーム形成手段とを具備する構成を採る。
【００２０】
この構成により、所望波の方向には指向性パターンのピークを向け、干渉波の方向には指向性パターンのヌルを向けるように指向性を制御して受信することで受信感度を向上させることができる。
【００２１】
本発明の指向性制御アンテナ装置は、上記いずれかの方位推定装置にて得られたディジタル信号と到来電波の水平方向方位角及び鉛直方向方位角に基づいて送信重み係数を求める送信重み係数算出手段と、この送信重み係数算出手段によって得られた送信重み係数で送信ディジタル信号に重み付けを行う送信ビーム形成手段と、重み付けされた送信ディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、このＤ／Ａ変換手段から出力された中間周波数信号またはベースバンド信号を無線周波数信号に変換して無線送信する送信周波数変換手段とを具備する構成を採る。
【００２２】
この構成により、所望波の方向には指向性パターンのピークを向け、干渉波の方向には指向性パターンのヌルを向けるように指向性を制御して送信することで通信品質を向上させることができる。
【００２３】
本発明の指向性制御アンテナ装置は、重み付けされた送信ディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、このＤ／Ａ変換手段から出力された中間周波数信号またはベースバンド信号を無線周波数信号に変換して無線送信する送信周波数変換手段とを具備し、受信ビーム形成手段は、受信重み係数で送信ディジタル信号に重み付けを行う構成を採る。
【００２４】
この構成により、送信重み係数を算出する必要がなくなるので、演算量の削減及び装置の小型化を図ることができる。
【００２５】
本発明の指向性制御アンテナ装置は、上記いずれかの方位推定装置のアレーアンテナよりアレー素子数が多い第２のアレーアンテナを具備し、送信周波数変換手段は、前記第２のアレーアンテナから無線周波数信号を無線送信する構成を採る。
【００２６】
この構成により、送信時に所望波方向に向けられる指向性ビームを鋭くすることができるので、受信機側の電力消費を低減することができる。
【００２７】
本発明の方位推定方法は、アレーアンテナを構成する複数のアンテナを、地面からの高さが互いに異なり、鉛直方向に互いに重ならないように配置し、前記各アンテナに受信された信号を用いて到来電波の水平方向方位角及び鉛直方向方位角を推定する方法をとる。
【００２８】
この方法により、同一平面内に円形配置したアレーアンテナを用いた場合と比較して、アレー素子数及び演算量の増加を抑え、鉛直方向の方位推定精度及び分解能を向上させることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の骨子は、アレーアンテナを構成する複数のアンテナを、地面からの高さが互いに異なり、鉛直方向に互いに重ならないように配置することである。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における方位推定装置の構成を示すブロック図である。図１に示す方位推定装置は、アレーアンテナ１０１と、受信周波数変換部１０２と、Ａ／Ｄ変換部１０３と、クロック生成部１０４と、方位推定部１０５とから主に構成される。また、アレーアンテナ１０１は、ｎ本（ｎは２以上の自然数）のアレー素子１１１−１〜ｎで構成される。アレーアンテナ１０１における各アレー素子１１１−１〜ｎの配置位置については後述する。
【００３２】
受信周波数変換部１０２は、アレーアンテナ１０１の各アレー素子１１１−１〜ｎに受信された無線周波数信号を中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換部１０３は、受信周波数変換部１０２のアナログ出力信号を適当なサンプリング周波数でディジタル信号に変換する。
【００３４】
クロック生成部１０４は、サンプリング周波数のクロックを生成してＡ／Ｄ変換部１０３に供給する。ただし、本発明においては、クロック生成部１０４にて生成されるクロックの周波数が固定又は可変のどちらであっても構わない。
【００３５】
方位推定部１０５は、Ａ／Ｄ変換部１０３によって得られた受信のディジタル信号を用いて、到来する電波の水平方向及び鉛直方向の方位角を推定する。
【００３６】
次に、アレーアンテナ１０１のアレー素子の配置と方位推定部１０５における方位推定手順について説明する。なお、以下の説明において、φは水平方向の角度を示しており範囲は０〜３６０°(０〜２π rad)、θは鉛直方向の角度を示しており範囲は−９０〜９０°(−π/２〜π/２ rad)である。
【００３７】
方位推定は、例えばMUSIC法のような分解能に優れたアルゴリズムを用いることにより受信電波の到来方向を高精度に推定できる。MUSIC法は固有空間法と呼ばれ、アレーアンテナの受信信号から共分散行列を計算しその共分散行列の固有ベクトルを利用して到来方向を推定する。
【００３８】
Ｍ素子アレーアンテナの受信信号をＸとすると、共分散行列ＲXXは以下に示す式（１）により求められる。
【００３９】
【数１】
ここで、Ｘは各アレー素子の受信信号を要素とする行列、Ｈは複素共役転置、―は平均をそれぞれ示す。到来波数がＳの場合、共分散行列ＲXXの固有ベクトル空間は、信号空間に属するＳ個の部分空間ＥSと雑音空間に属する(Ｍ-Ｓ)個の部分空間ＥNとに分けることができる。到来電波の方位角(φ,θ)に対するアレーアンテナ１０１の応答ベクトル（ステアリングベクトルと呼ばれる）Ａ(φ,θ)は以下に示す式（２）で表される。
【００４０】
【数２】
ここで、ｍは１からＭまでの自然数、ａm(φ,θ)は各アレー素子の応答ベクトル、Ｔは転置を示す。このとき到来電波の方位(φ０,θ０)では、ＥNとＡ(φ０,θ０)が直交する。特性を利用し、方位評価関数Ｆ(φ,θ)は以下に示す式（３）で表される。
【００４１】
【数３】
そして、(φ,θ)を走査することによりＦ(φ０,θ０)においてピークが検出される。
【００４２】
共分散行列ＲXX、雑音空間の固有ベクトルＥS、方位評価関数Ｆ(φ,θ)の計算方法はアレーアンテナ１０１のアレー素子の配置位置には関係ないが、ステアリングベクトルＡ(φ,θ)はアレーアンテナ１０１の各アレー素子の空間的な配置位置に依存する。
【００４３】
図２は、本実施の形態における各アレー素子の配置位置の一例を示す斜視図であり、アレー素子数が４の場合を示す。図２において、Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ直交軸、Ｌは水平投影面上のアレー素子間距離、Ｄは鉛直方向のアレー素子間距離である。
【００４４】
そして、図２では、各アレー素子１１１−１〜４を直円柱側面上であって水平投影面上において距離間隔Ｌ(Ｌ>０)となるように、同時に鉛直方向に対して距離間隔Ｄ(Ｄ>０)となるように配置した。すなわち、図２では、各アレー素子１１１−１〜４を螺線Ｈｅ上に配置した。
【００４５】
以下、図２の場合におけるアレーアンテナ１０１のステアリングベクトルＡ(φ,θ)について説明する。図３は、図２の場合における到来電波を平面波とした場合の各アレー素子の行路差を説明する図である。図３（ａ）は、到来電波の方位角(φ,θ)を(φ1、０)とした場合のＸＹ平面を示す図である。各アレー素子１１１−１〜４は、素子間距離Ｌで等間隔に円形配置されており、円の中心が座標原点である。到来電波を平面波と仮定すると、アレー素子１１１-３とアレー素子１１１-４の座標原点から見た行路差はそれぞれσ１とσ２となる。Ｘ軸方向をφ＝０とするとき、行路差σ１とσ２は以下に示す式（４）により求められる。ただし、行路差σ１とσ２は到来電波の波長で正規化している。
【００４６】
【数４】
図３（ｂ）は、到来電波の方位角(φ,θ)を(０,θ1)とした場合のＸＺ平面を示す図である。各アレー素子は鉛直方向に素子間距離Ｄで配置されている。アレー素子１１１-３から見たアレー素子１１１-2とアレー素子１１１-４との相対的な行路差はそれぞれδ１とδ２となる。Ｘ軸方向をθ＝０とするとき、行路差δ１とδ２は以下に示す式（５）により求められる。ただし、行路差δ１とδ２は到来電波の波長で正規化している。
【００４７】
【数５】
これより座標原点からの各アレー素子間の相対的な行路差が求まるため、アレー素子数が４の場合、アレーアンテナ１０１のステアリングベクトルＡ(φ,θ)は以下に示す式（６）により求められる。
【００４８】
【数６】
図４は、本実施の形態における各アレー素子の配置位置の一例を示す図であり、アレー素子数がＭの場合を示す。図４（ａ）はＸＹ平面図であり、図４（ｂ）は斜視図である。図４に示すようなアレー素子数がＭの場合には、ステアリングベクトルＡ(φ,θ)は以下に示す式（７）により求められる。
【００４９】
【数７】
したがって、式（７）のステアリングベクトルＡ(φ,θ)を用いることによりMUSIC法を用いた到来電波の方位推定を行うことができる。
【００５０】
図５は、アレー素子数を５とし、方位推定部１０５の推定アルゴリズムとしてMUSIC法を用いた場合の鉛直方向の方位推定結果を示す図である。図５（ａ）は、アレーアンテナ１０１の各アレー素子を同一平面状に円形に配置した円形アレーを用いた場合である。図５（ｂ）は、アレーアンテナ１０１の各アレー素子を螺線上に配置した場合である。図５（ａ）、（ｂ）において横軸は鉛直方向の方位、縦軸は評価関数の正規化レベルを示し、図５（ａ）及び図５（ｂ）とも２波（Ｐ、Ｑ）の到来電波が存在する場合を示す。
【００５１】
そして、図５（ａ）と図５（ｂ）との比較から明らかなように、図５（ｂ）の方が２波の到来電波間（鉛直方向０°付近）における評価関数の正規化レベルＫが低く、各アレー素子を螺線上に配置することにより分解能が向上する。
【００５２】
図６は、アレー素子数を５とし、各アレー素子を螺線上に配置し、方位推定部１０５の推定アルゴリズムとしてMUSIC法を用いたときの水平方向φと鉛直方向θの方位推定結果を示す図である。図６から明らかなように、各アレー素子を螺線上に配置し、推定アルゴリズムとしてMUSIC法を用いることで、水平方向φと鉛直方向θにおいて高分解な方位推定を行うことができる。
【００５３】
なお、本実施の形態では、一般に用いられる水平面上に円形等間隔にアレー素子を配置するアレーアンテナと比較するため、水平投影面上において円形となりように各アレー素子を螺線上に配置する場合について説明してが、本発明は、各アレー素子を地面からの高さが互いに異なり、鉛直方向に互いに重ならないように配置すれば水平方向φと鉛直方向θにおいて高分解な方位推定を行うことができる。
【００５４】
ただし、水平投影面上において円形となるように各アレー素子を螺線上に配置することにより、到来波の水平方向の方位に対する精度を均一に保つことができる。
【００５５】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１で説明した方法により得られた方位推定結果を用いて送信源の位置を算出する場合を説明する。図７は、本実施の形態における方位推定装置の構成を示すブロック図である。なお、図７に示す方位推定装置において、図１に示した方位推定装置と共通する構成部分には、図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００５６】
図７に示す方位推定装置は、図１に示した方位推定装置と比較して、位置算出部２０１を追加した構成を採る。方位推定部１０５は、Ａ／Ｄ変換部１０３によって得られた受信のディジタル信号を用いて、到来する電波の水平方向及び鉛直方向の方位角を推定し、方位推定結果を位置算出部２０１に出力する。
【００５７】
位置算出部２０１は、方位推定結果とアレーアンテナ１０１の高度を用いて送信源の位置を算出する。図８は、位置算出部２０１における位置算出方法の一例を示す図である。図８において、Ｈはアレーアンテナ１０１の高度である。図８に示すような、送信源が路上を走行する車載のアンテナ等、送信源の地面からの高さが一定である場合には、以下に示す式（８）より、座標原点から送信源までの距離Ｒを求めることができる。
【００５８】
Ｒ＝Ｈ／tanθ1…（８）
そして、位置算出部２０１は、Ｒとφ1により送信源の位置を特定することができる。
【００５９】
このように、送信源の位置を算出する位置算出部２０１を有することにより、方位推定結果とアレーアンテナ１０１の高度Ｈを用いて送信源の位置を算出することができる。
【００６０】
また、従来から、送信側装置の信号送信時刻と受信側装置の信号受信時刻の差である伝搬遅延に基づいて送信側装置の位置を算出する方法が知られているが、電波の伝搬遅延は微小であり、無線通信においてはフェージングや雑音等の影響により伝搬環境が変化するため、伝搬遅延の測定誤差が大きく、この方法では精度に限界がある。これに対して本発明は、到来電波の水平方向及び鉛直方向の方位を推定し、この推定結果に基づいて送信源の位置を算出するため精度が高い。
【００６１】
（実施の形態３）
ここで、配置された各アレー素子の位置関係によっては、特定の方位から電波が到来する場合に、方位推定精度が大きく劣化してしまうことがある。例えば、上記図２に示したアレー素子数が４の場合、(φ,θ)=(０°,０°)、(９０°,０°)、(１８０°,０°)、(２７０°,０°)において方位推定精度が大きく劣化する。
【００６２】
この問題を解決すべく、実施の形態３では、特定方位の到来電波に対する推定精度の劣化を防ぐことができるように各アレー素子を配置する場合について説明する。なお、本実施の形態において、装置全体の構成は上記図１と同様であるので説明を省略する。
【００６３】
図９は、本実施の形態における各アレー素子の配置位置の一例を示すＸＹ平面図である。図９においてＬ１、Ｌ２は水平投影面上におけるアレー素子間距離である。ただし、Ｌ１≠Ｌ２とする。本実施の形態では、アレーアンテナ１０１の各アレー素子を螺線上に、かつ、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が不均一となるように配置する。
【００６４】
図１０は、アレー素子数を４とし、方位推定部１０５の推定アルゴリズムとしてMUSIC法を用いた場合の方位推定結果を示す図である。図１０（ａ）は、各アレー素子を螺線上に、かつ、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が一定となるように配置した場合の方位推定結果を示す図である。図１０（ｂ）は、各アレー素子を螺線上に、かつ、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が不均一となるように配置した場合の方位推定結果を示す図である。そして、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）とも実際の到来電波の方位角Ｆ(φ,θ)が(９０°,０°)である場合を示す。
【００６５】
図１０（ａ）に示すように、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が一定となるように配置した場合、方位評価関数Ｆ(φ,θ)には所望方位のピークの他に偽のピークが生じる。これに対し、図１０（ｂ）に示すように、アレーアンテナ１０１の各アレー素子を、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が不均一となるように配置した場合、偽のピークのレベルは低下し、方位推定精度を改善することができる。
【００６６】
このように、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が不均一となるように配置することにより、特定方位の到来電波に対する推定精度の劣化を防ぐことができる。これは、アレーアンテナのアレー素子数が少ない場合に特に有効である。
【００６７】
（実施の形態４）
実施の形態４では、実施の形態１に係る方位推定装置を搭載し、方位推定部１０５で得られた方位推定結果を用いて受信の指向性合成を行う指向性制御アンテナ装置について説明する。
【００６８】
図１１は、本実施の形態における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。なお、図１１に示す指向性制御アンテナ装置において、図１に示した方位推定装置と共通する構成部分には、図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００６９】
図１１に示す指向性制御アンテナ装置は、図１に示した方位推定装置に受信重み係数算出部３０１及び受信ビーム形成部３０２を追加した構成を採る。
【００７０】
受信重み係数算出部３０１は、Ａ／Ｄ変換部１０３から出力された受信のディジタル信号と方位推定部１０５から出力された方位推定結果を用いて、アレーアンテナ１０１の各アレー素子における受信信号の振幅と位相を制御するための受信重み係数を求める。
【００７１】
受信ビーム形成部３０２は、Ａ／Ｄ変換部１０３から出力された受信のディジタル信号に対して、受信重み係数を用いてアレーアンテナ１０１の指向性合成を行い、所望の受信ディジタル信号ＲＸを出力する。
【００７２】
ここで所望波の方向には指向性パターンのピークが向き、干渉波の方向には指向性パターンのヌルを向けるように指向性を制御すれば受信感度を向上させることができる。
【００７３】
（実施の形態５）
実施の形態５では、実施の形態１に係る方位推定装置を搭載し、方位推定部１０５で得られた方位推定結果を用いて送受信の指向性合成を行う指向性制御アンテナ装置について説明する。
【００７４】
図１２は、本実施の形態における指向性制御アンテナ装置の第１の構成を示すブロック図である。なお、図１２に示す指向性制御アンテナ装置において、図１１に示した指向性制御アンテナ装置と共通する構成部分には、図１１と同一符号を付して説明を省略する。
【００７５】
図１２に示す指向性制御アンテナ装置は、図１１に示した指向性制御アンテナ装置に送信重み係数算出部４０１、送信ビーム形成部４０２、Ｄ／Ａ変換部４０３及び送信周波数変換部４０４を追加した構成を採る。
【００７６】
送信重み係数算出部４０１は、Ａ／Ｄ変換部１０３から出力された受信のディジタル信号と方位推定部１０５から出力された方位推定結果を用いて、アレーアンテナ１０１の各アレー素子における送信信号の振幅と位相を制御するための送信重み係数を求める。
【００７７】
送信ビーム形成部４０２は、送信ディジタル信号に対して、送信重み係数を用いてアレーアンテナ１０１の指向性制御を行う。Ｄ／Ａ変換部４０３は、送信ビーム形成部４０２の出力信号をアナログ信号である送信の中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する。送信周波数変換部４０４は、Ｄ／Ａ変換部４０３から出力された中間周波数信号またはベースバンド信号を無線周波数信号に変換し、アレーアンテナから無線送信する。
【００７８】
所望波の方向には指向性パターンのピークを向け、干渉波の方向には指向性パターンのヌルを向けるように指向性を制御することで通信品質を向上させることができる。
【００７９】
ここで、図１３に示すように、指向性制御アンテナ装置が、受信ビーム形成部３０２と送信ビーム形成部４０２とを兼ね備えた送受信ビーム形成部５０１を具備してもよい。この場合、送受信ビーム形成部５０１は、Ａ／Ｄ変換部１０３から出力された受信のディジタル信号に対して、受信重み係数を用いてアレーアンテナ１０１の指向性合成を行い、所望の受信ディジタル信号を出力する。また、送受信ビーム形成部５０１は、送信ディジタル信号に対して、受信重み係数を用いてアレーアンテナ１０１の指向性制御を行う。これにより、送信重み係数算出部４０１が不要となるので、演算量の削減及び装置の小型化を図ることができる。
【００８０】
また、図１４に示すように、指向性制御アンテナ装置に、アレー素子数ｎのアレーアンテナ１０１とは別に、アレー素子数ｍ(ｍ＞ｎ)の送信用アレーアンテナ６０１を設け、送信周波数変換部４０４から出力された無線周波数信号を送信用アレーアンテナ６０１から無線送信してもよい。この場合、送信時に所望波方向に向けられる指向性ビームを鋭くすることができるので、受信機側の電力消費を低減することができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、アレーアンテナの各アレー素子をらせん形状に配置することで、同一平面内に円形配置した場合と比較して、鉛直方向の方位推定精度及び分解能を向上させることができる。そして、この推定結果を用いることにより、送信源の位置を算出することができ、さらに、アレーアンテナの指向性制御を行うことによる通信品質の改善や低消費電力化などの効果も得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における方位推定装置の構成を示すブロック図
【図２】上記実施の形態におけるアレーアンテナの構成を示す斜視図
【図３】上記実施の形態における到来電波を平面波とした場合の各アレー素子の行路差を説明する図
【図４】上記実施の形態におけるアレーアンテナの構成を示す図
【図５】上記実施の形態における方位推定部の動作を説明する第１の図
【図６】上記実施の形態における方位推定部の動作を説明する第２の図
【図７】本発明の実施の形態２における方位推定装置の構成を示すブロック図
【図８】上記実施の形態における位置算出部の動作を説明する図
【図９】本発明の実施の形態３におけるアレーアンテナの構成を示す図
【図１０】上記実施の形態における方位推定部の動作を説明する図
【図１１】本発明の実施の形態４における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【図１２】本発明の実施の形態５における指向性制御アンテナ装置の構成を示す第１のブロック図
【図１３】上記実施の形態における指向性制御アンテナ装置の構成を示す第２のブロック図
【図１４】上記実施の形態における指向性制御アンテナ装置の構成を示す第３のブロック図
【符号の説明】
１０１ アレーアンテナ
１０２ 受信周波数変換部
１０３ Ａ／Ｄ変換部
１０４ クロック生成部
１０５ 方位推定部
２０１ 位置算出部
３０１ 受信重み係数算出部
３０２ 受信ビーム形成部
４０１ 送信重み係数算出部
４０２ 送信ビーム形成部
４０３ Ｄ／Ａ変換部
４０４ 送信周波数変換部
５０１ 送受信ビーム形成部
６０１ 送信用アレーアンテナ
【発明の属する技術分野】
本発明はアレーアンテナ、方位推定装置、通信装置及び方位推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信品質や周波数利用効率の向上を図る技術として、伝搬環境に応じてアンテナの指向性をダイナミックに変化させるアンテナ指向性制御技術が注目されている。そして、アンテナ指向性制御技術の代表的なものとして、アレーアンテナとディジタル信号処理を用いるアダプティブアレーがあげられる。
【０００３】
アダプティブアレーは、一般にアレーアンテナにおける受信のディジタル信号を何らかの既知情報に基づいて解析することによりアレー素子の重み係数を求めて指向性を形成する。そして、既知情報の１つが到来電波の方位である。仮に所望波と干渉波の方位が判かれば、所望波の方位にアレーアンテナの指向性のピークを向け、干渉波の方位にヌルを向けるような制御を行うことで通信品質を向上させることができる。
【０００４】
一方、到来電波の方位推定技術は、基地局における通信端末の位置検出としても注目されており、空間的なトラフィック情報を用いたダイナッミクチャネル割当に利用することができるだけでなく、不法電波の監視装置などへの適応も検討されている。
【０００５】
アレーアンテナの受信信号から到来電波の方位を高精度に推定する手法として、MUSIC（MUltiple SIgnal Classification）法に代表される固有空間法が上げられる。固有空間法は各アレー素子で受信された複素ディジタル信号から得られる共分散行列の固有ベクトルを利用する。MUSIC法の詳細は、R.O.Schmidt, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Trans. AP-３４, ３, １９８６に記載されている。
【０００６】
アレーアンテナを用いて到来電波の方位推定を行う場合、推定精度と複数波到来時の分解能は、アレーアンテナを構成するアレー素子数、各アレー素子の指向性、及びアレー素子が配置される空間的な位置関係などに依存する。
【０００７】
ここで、到来波の水平方向の方位推定を行うために、各アレー素子を円形に配置するのが一般的である。そして、平面上にアレー素子を配置すると、水平方向だけでなく鉛直方向も含めて到来波の方位を推定することができる。特に円形アレーを鉛直方向に複数段重ねるように配置し、全体として円筒形状になるようにすることで鉛直方向の推定精度を向上させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、円形アレーを鉛直方向に複数段重ねると、アレー素子数が増加するためコスト面で不利となり、しかも、入力端が増加するため信号処理の演算量も増加してしまう。
【０００９】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、到来電波の水平方向及び鉛直方向の方位推定を行う場合において、アレー素子数及び演算量を増加させずに鉛直方向の推定精度と複数波到来時の分解能の向上を図ることができるアレーアンテナ、方位推定装置、通信装置及び方位推定方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の方位推定装置は、複数のアンテナをアレー素子として使用し、各アレー素子を地面からの高さが互いに異なり、鉛直方向に互いに重ならないように配置したアレーアンテナと、前記各アレー素子に受信された無線周波数信号を中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する受信周波数変換手段と、この受信周波数変換手段のアナログ出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、このＡ／Ｄ変換手段から出力されたディジタル信号を用いて到来電波の水平方向方位角及び鉛直方向方位角を推定する方位推定手段とを具備する構成を採る。
【００１１】
この構成により、同一平面内に円形配置したアレーアンテナを用いた場合と比較して、アレー素子数及び演算量の増加を抑え、鉛直方向の方位推定精度及び分解能を向上させることができる。
【００１２】
本発明の方位推定装置は、１つの螺線上にアレーアンテナの各アレー素子を配置する構成を採る。
【００１３】
本発明の方位推定装置は、水平投影面上においてアレーアンテナの各アレー素子が等間隔となるように前記各アレー素子を配置する構成を採る。
【００１４】
これらの構成により、到来波の水平方向の方位に対する精度を均一に保つことができる。
【００１５】
本発明の方位推定装置は、水平投影面上においてアレーアンテナの各アレー素子の間隔が不均一となるように前記各アレー素子を配置する構成を採る。
【００１６】
この構成により、特定方位の到来電波に対する推定精度の劣化を防ぐことができる。これは、アレーアンテナのアレー素子数が少ない場合に特に有効である。
【００１７】
本発明の方位推定装置は、方位推定手段にて推定された到来電波の水平方向方位角及び鉛直方向方位角に基づいて、送信源の位置を算出する位置算出手段を具備する構成を採る。
【００１８】
この構成により、送信源の位置を算出することができる。しかも、到来電波の水平方向及び鉛直方向の方位に基づいて送信源の位置を算出するため、伝搬遅延に基づいて送信源の位置を算出する場合に比べて精度が高い。
【００１９】
本発明の指向性制御アンテナ装置は、上記いずれかの方位推定装置にて得られたディジタル信号と到来電波の水平方向方位角及び鉛直方向方位角に基づいて受信重み係数を求める受信重み係数算出手段と、この受信重み係数算出手段によって得られた受信重み係数を用いて前記アレーアンテナの指向性合成を行う受信ビーム形成手段とを具備する構成を採る。
【００２０】
この構成により、所望波の方向には指向性パターンのピークを向け、干渉波の方向には指向性パターンのヌルを向けるように指向性を制御して受信することで受信感度を向上させることができる。
【００２１】
本発明の指向性制御アンテナ装置は、上記いずれかの方位推定装置にて得られたディジタル信号と到来電波の水平方向方位角及び鉛直方向方位角に基づいて送信重み係数を求める送信重み係数算出手段と、この送信重み係数算出手段によって得られた送信重み係数で送信ディジタル信号に重み付けを行う送信ビーム形成手段と、重み付けされた送信ディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、このＤ／Ａ変換手段から出力された中間周波数信号またはベースバンド信号を無線周波数信号に変換して無線送信する送信周波数変換手段とを具備する構成を採る。
【００２２】
この構成により、所望波の方向には指向性パターンのピークを向け、干渉波の方向には指向性パターンのヌルを向けるように指向性を制御して送信することで通信品質を向上させることができる。
【００２３】
本発明の指向性制御アンテナ装置は、重み付けされた送信ディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、このＤ／Ａ変換手段から出力された中間周波数信号またはベースバンド信号を無線周波数信号に変換して無線送信する送信周波数変換手段とを具備し、受信ビーム形成手段は、受信重み係数で送信ディジタル信号に重み付けを行う構成を採る。
【００２４】
この構成により、送信重み係数を算出する必要がなくなるので、演算量の削減及び装置の小型化を図ることができる。
【００２５】
本発明の指向性制御アンテナ装置は、上記いずれかの方位推定装置のアレーアンテナよりアレー素子数が多い第２のアレーアンテナを具備し、送信周波数変換手段は、前記第２のアレーアンテナから無線周波数信号を無線送信する構成を採る。
【００２６】
この構成により、送信時に所望波方向に向けられる指向性ビームを鋭くすることができるので、受信機側の電力消費を低減することができる。
【００２７】
本発明の方位推定方法は、アレーアンテナを構成する複数のアンテナを、地面からの高さが互いに異なり、鉛直方向に互いに重ならないように配置し、前記各アンテナに受信された信号を用いて到来電波の水平方向方位角及び鉛直方向方位角を推定する方法をとる。
【００２８】
この方法により、同一平面内に円形配置したアレーアンテナを用いた場合と比較して、アレー素子数及び演算量の増加を抑え、鉛直方向の方位推定精度及び分解能を向上させることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の骨子は、アレーアンテナを構成する複数のアンテナを、地面からの高さが互いに異なり、鉛直方向に互いに重ならないように配置することである。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における方位推定装置の構成を示すブロック図である。図１に示す方位推定装置は、アレーアンテナ１０１と、受信周波数変換部１０２と、Ａ／Ｄ変換部１０３と、クロック生成部１０４と、方位推定部１０５とから主に構成される。また、アレーアンテナ１０１は、ｎ本（ｎは２以上の自然数）のアレー素子１１１−１〜ｎで構成される。アレーアンテナ１０１における各アレー素子１１１−１〜ｎの配置位置については後述する。
【００３２】
受信周波数変換部１０２は、アレーアンテナ１０１の各アレー素子１１１−１〜ｎに受信された無線周波数信号を中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換部１０３は、受信周波数変換部１０２のアナログ出力信号を適当なサンプリング周波数でディジタル信号に変換する。
【００３４】
クロック生成部１０４は、サンプリング周波数のクロックを生成してＡ／Ｄ変換部１０３に供給する。ただし、本発明においては、クロック生成部１０４にて生成されるクロックの周波数が固定又は可変のどちらであっても構わない。
【００３５】
方位推定部１０５は、Ａ／Ｄ変換部１０３によって得られた受信のディジタル信号を用いて、到来する電波の水平方向及び鉛直方向の方位角を推定する。
【００３６】
次に、アレーアンテナ１０１のアレー素子の配置と方位推定部１０５における方位推定手順について説明する。なお、以下の説明において、φは水平方向の角度を示しており範囲は０〜３６０°(０〜２π rad)、θは鉛直方向の角度を示しており範囲は−９０〜９０°(−π/２〜π/２ rad)である。
【００３７】
方位推定は、例えばMUSIC法のような分解能に優れたアルゴリズムを用いることにより受信電波の到来方向を高精度に推定できる。MUSIC法は固有空間法と呼ばれ、アレーアンテナの受信信号から共分散行列を計算しその共分散行列の固有ベクトルを利用して到来方向を推定する。
【００３８】
Ｍ素子アレーアンテナの受信信号をＸとすると、共分散行列ＲXXは以下に示す式（１）により求められる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
【数２】
【００４１】
【数３】
【００４２】
共分散行列ＲXX、雑音空間の固有ベクトルＥS、方位評価関数Ｆ(φ,θ)の計算方法はアレーアンテナ１０１のアレー素子の配置位置には関係ないが、ステアリングベクトルＡ(φ,θ)はアレーアンテナ１０１の各アレー素子の空間的な配置位置に依存する。
【００４３】
図２は、本実施の形態における各アレー素子の配置位置の一例を示す斜視図であり、アレー素子数が４の場合を示す。図２において、Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ直交軸、Ｌは水平投影面上のアレー素子間距離、Ｄは鉛直方向のアレー素子間距離である。
【００４４】
そして、図２では、各アレー素子１１１−１〜４を直円柱側面上であって水平投影面上において距離間隔Ｌ(Ｌ>０)となるように、同時に鉛直方向に対して距離間隔Ｄ(Ｄ>０)となるように配置した。すなわち、図２では、各アレー素子１１１−１〜４を螺線Ｈｅ上に配置した。
【００４５】
以下、図２の場合におけるアレーアンテナ１０１のステアリングベクトルＡ(φ,θ)について説明する。図３は、図２の場合における到来電波を平面波とした場合の各アレー素子の行路差を説明する図である。図３（ａ）は、到来電波の方位角(φ,θ)を(φ1、０)とした場合のＸＹ平面を示す図である。各アレー素子１１１−１〜４は、素子間距離Ｌで等間隔に円形配置されており、円の中心が座標原点である。到来電波を平面波と仮定すると、アレー素子１１１-３とアレー素子１１１-４の座標原点から見た行路差はそれぞれσ１とσ２となる。Ｘ軸方向をφ＝０とするとき、行路差σ１とσ２は以下に示す式（４）により求められる。ただし、行路差σ１とσ２は到来電波の波長で正規化している。
【００４６】
【数４】
【００４７】
【数５】
【００４８】
【数６】
【００４９】
【数７】
【００５０】
図５は、アレー素子数を５とし、方位推定部１０５の推定アルゴリズムとしてMUSIC法を用いた場合の鉛直方向の方位推定結果を示す図である。図５（ａ）は、アレーアンテナ１０１の各アレー素子を同一平面状に円形に配置した円形アレーを用いた場合である。図５（ｂ）は、アレーアンテナ１０１の各アレー素子を螺線上に配置した場合である。図５（ａ）、（ｂ）において横軸は鉛直方向の方位、縦軸は評価関数の正規化レベルを示し、図５（ａ）及び図５（ｂ）とも２波（Ｐ、Ｑ）の到来電波が存在する場合を示す。
【００５１】
そして、図５（ａ）と図５（ｂ）との比較から明らかなように、図５（ｂ）の方が２波の到来電波間（鉛直方向０°付近）における評価関数の正規化レベルＫが低く、各アレー素子を螺線上に配置することにより分解能が向上する。
【００５２】
図６は、アレー素子数を５とし、各アレー素子を螺線上に配置し、方位推定部１０５の推定アルゴリズムとしてMUSIC法を用いたときの水平方向φと鉛直方向θの方位推定結果を示す図である。図６から明らかなように、各アレー素子を螺線上に配置し、推定アルゴリズムとしてMUSIC法を用いることで、水平方向φと鉛直方向θにおいて高分解な方位推定を行うことができる。
【００５３】
なお、本実施の形態では、一般に用いられる水平面上に円形等間隔にアレー素子を配置するアレーアンテナと比較するため、水平投影面上において円形となりように各アレー素子を螺線上に配置する場合について説明してが、本発明は、各アレー素子を地面からの高さが互いに異なり、鉛直方向に互いに重ならないように配置すれば水平方向φと鉛直方向θにおいて高分解な方位推定を行うことができる。
【００５４】
ただし、水平投影面上において円形となるように各アレー素子を螺線上に配置することにより、到来波の水平方向の方位に対する精度を均一に保つことができる。
【００５５】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１で説明した方法により得られた方位推定結果を用いて送信源の位置を算出する場合を説明する。図７は、本実施の形態における方位推定装置の構成を示すブロック図である。なお、図７に示す方位推定装置において、図１に示した方位推定装置と共通する構成部分には、図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００５６】
図７に示す方位推定装置は、図１に示した方位推定装置と比較して、位置算出部２０１を追加した構成を採る。方位推定部１０５は、Ａ／Ｄ変換部１０３によって得られた受信のディジタル信号を用いて、到来する電波の水平方向及び鉛直方向の方位角を推定し、方位推定結果を位置算出部２０１に出力する。
【００５７】
位置算出部２０１は、方位推定結果とアレーアンテナ１０１の高度を用いて送信源の位置を算出する。図８は、位置算出部２０１における位置算出方法の一例を示す図である。図８において、Ｈはアレーアンテナ１０１の高度である。図８に示すような、送信源が路上を走行する車載のアンテナ等、送信源の地面からの高さが一定である場合には、以下に示す式（８）より、座標原点から送信源までの距離Ｒを求めることができる。
【００５８】
Ｒ＝Ｈ／tanθ1…（８）
そして、位置算出部２０１は、Ｒとφ1により送信源の位置を特定することができる。
【００５９】
このように、送信源の位置を算出する位置算出部２０１を有することにより、方位推定結果とアレーアンテナ１０１の高度Ｈを用いて送信源の位置を算出することができる。
【００６０】
また、従来から、送信側装置の信号送信時刻と受信側装置の信号受信時刻の差である伝搬遅延に基づいて送信側装置の位置を算出する方法が知られているが、電波の伝搬遅延は微小であり、無線通信においてはフェージングや雑音等の影響により伝搬環境が変化するため、伝搬遅延の測定誤差が大きく、この方法では精度に限界がある。これに対して本発明は、到来電波の水平方向及び鉛直方向の方位を推定し、この推定結果に基づいて送信源の位置を算出するため精度が高い。
【００６１】
（実施の形態３）
ここで、配置された各アレー素子の位置関係によっては、特定の方位から電波が到来する場合に、方位推定精度が大きく劣化してしまうことがある。例えば、上記図２に示したアレー素子数が４の場合、(φ,θ)=(０°,０°)、(９０°,０°)、(１８０°,０°)、(２７０°,０°)において方位推定精度が大きく劣化する。
【００６２】
この問題を解決すべく、実施の形態３では、特定方位の到来電波に対する推定精度の劣化を防ぐことができるように各アレー素子を配置する場合について説明する。なお、本実施の形態において、装置全体の構成は上記図１と同様であるので説明を省略する。
【００６３】
図９は、本実施の形態における各アレー素子の配置位置の一例を示すＸＹ平面図である。図９においてＬ１、Ｌ２は水平投影面上におけるアレー素子間距離である。ただし、Ｌ１≠Ｌ２とする。本実施の形態では、アレーアンテナ１０１の各アレー素子を螺線上に、かつ、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が不均一となるように配置する。
【００６４】
図１０は、アレー素子数を４とし、方位推定部１０５の推定アルゴリズムとしてMUSIC法を用いた場合の方位推定結果を示す図である。図１０（ａ）は、各アレー素子を螺線上に、かつ、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が一定となるように配置した場合の方位推定結果を示す図である。図１０（ｂ）は、各アレー素子を螺線上に、かつ、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が不均一となるように配置した場合の方位推定結果を示す図である。そして、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）とも実際の到来電波の方位角Ｆ(φ,θ)が(９０°,０°)である場合を示す。
【００６５】
図１０（ａ）に示すように、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が一定となるように配置した場合、方位評価関数Ｆ(φ,θ)には所望方位のピークの他に偽のピークが生じる。これに対し、図１０（ｂ）に示すように、アレーアンテナ１０１の各アレー素子を、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が不均一となるように配置した場合、偽のピークのレベルは低下し、方位推定精度を改善することができる。
【００６６】
このように、水平投影面上において各アレー素子の距離間隔が不均一となるように配置することにより、特定方位の到来電波に対する推定精度の劣化を防ぐことができる。これは、アレーアンテナのアレー素子数が少ない場合に特に有効である。
【００６７】
（実施の形態４）
実施の形態４では、実施の形態１に係る方位推定装置を搭載し、方位推定部１０５で得られた方位推定結果を用いて受信の指向性合成を行う指向性制御アンテナ装置について説明する。
【００６８】
図１１は、本実施の形態における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図である。なお、図１１に示す指向性制御アンテナ装置において、図１に示した方位推定装置と共通する構成部分には、図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００６９】
図１１に示す指向性制御アンテナ装置は、図１に示した方位推定装置に受信重み係数算出部３０１及び受信ビーム形成部３０２を追加した構成を採る。
【００７０】
受信重み係数算出部３０１は、Ａ／Ｄ変換部１０３から出力された受信のディジタル信号と方位推定部１０５から出力された方位推定結果を用いて、アレーアンテナ１０１の各アレー素子における受信信号の振幅と位相を制御するための受信重み係数を求める。
【００７１】
受信ビーム形成部３０２は、Ａ／Ｄ変換部１０３から出力された受信のディジタル信号に対して、受信重み係数を用いてアレーアンテナ１０１の指向性合成を行い、所望の受信ディジタル信号ＲＸを出力する。
【００７２】
ここで所望波の方向には指向性パターンのピークが向き、干渉波の方向には指向性パターンのヌルを向けるように指向性を制御すれば受信感度を向上させることができる。
【００７３】
（実施の形態５）
実施の形態５では、実施の形態１に係る方位推定装置を搭載し、方位推定部１０５で得られた方位推定結果を用いて送受信の指向性合成を行う指向性制御アンテナ装置について説明する。
【００７４】
図１２は、本実施の形態における指向性制御アンテナ装置の第１の構成を示すブロック図である。なお、図１２に示す指向性制御アンテナ装置において、図１１に示した指向性制御アンテナ装置と共通する構成部分には、図１１と同一符号を付して説明を省略する。
【００７５】
図１２に示す指向性制御アンテナ装置は、図１１に示した指向性制御アンテナ装置に送信重み係数算出部４０１、送信ビーム形成部４０２、Ｄ／Ａ変換部４０３及び送信周波数変換部４０４を追加した構成を採る。
【００７６】
送信重み係数算出部４０１は、Ａ／Ｄ変換部１０３から出力された受信のディジタル信号と方位推定部１０５から出力された方位推定結果を用いて、アレーアンテナ１０１の各アレー素子における送信信号の振幅と位相を制御するための送信重み係数を求める。
【００７７】
送信ビーム形成部４０２は、送信ディジタル信号に対して、送信重み係数を用いてアレーアンテナ１０１の指向性制御を行う。Ｄ／Ａ変換部４０３は、送信ビーム形成部４０２の出力信号をアナログ信号である送信の中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する。送信周波数変換部４０４は、Ｄ／Ａ変換部４０３から出力された中間周波数信号またはベースバンド信号を無線周波数信号に変換し、アレーアンテナから無線送信する。
【００７８】
所望波の方向には指向性パターンのピークを向け、干渉波の方向には指向性パターンのヌルを向けるように指向性を制御することで通信品質を向上させることができる。
【００７９】
ここで、図１３に示すように、指向性制御アンテナ装置が、受信ビーム形成部３０２と送信ビーム形成部４０２とを兼ね備えた送受信ビーム形成部５０１を具備してもよい。この場合、送受信ビーム形成部５０１は、Ａ／Ｄ変換部１０３から出力された受信のディジタル信号に対して、受信重み係数を用いてアレーアンテナ１０１の指向性合成を行い、所望の受信ディジタル信号を出力する。また、送受信ビーム形成部５０１は、送信ディジタル信号に対して、受信重み係数を用いてアレーアンテナ１０１の指向性制御を行う。これにより、送信重み係数算出部４０１が不要となるので、演算量の削減及び装置の小型化を図ることができる。
【００８０】
また、図１４に示すように、指向性制御アンテナ装置に、アレー素子数ｎのアレーアンテナ１０１とは別に、アレー素子数ｍ(ｍ＞ｎ)の送信用アレーアンテナ６０１を設け、送信周波数変換部４０４から出力された無線周波数信号を送信用アレーアンテナ６０１から無線送信してもよい。この場合、送信時に所望波方向に向けられる指向性ビームを鋭くすることができるので、受信機側の電力消費を低減することができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、アレーアンテナの各アレー素子をらせん形状に配置することで、同一平面内に円形配置した場合と比較して、鉛直方向の方位推定精度及び分解能を向上させることができる。そして、この推定結果を用いることにより、送信源の位置を算出することができ、さらに、アレーアンテナの指向性制御を行うことによる通信品質の改善や低消費電力化などの効果も得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における方位推定装置の構成を示すブロック図
【図２】上記実施の形態におけるアレーアンテナの構成を示す斜視図
【図３】上記実施の形態における到来電波を平面波とした場合の各アレー素子の行路差を説明する図
【図４】上記実施の形態におけるアレーアンテナの構成を示す図
【図５】上記実施の形態における方位推定部の動作を説明する第１の図
【図６】上記実施の形態における方位推定部の動作を説明する第２の図
【図７】本発明の実施の形態２における方位推定装置の構成を示すブロック図
【図８】上記実施の形態における位置算出部の動作を説明する図
【図９】本発明の実施の形態３におけるアレーアンテナの構成を示す図
【図１０】上記実施の形態における方位推定部の動作を説明する図
【図１１】本発明の実施の形態４における指向性制御アンテナ装置の構成を示すブロック図
【図１２】本発明の実施の形態５における指向性制御アンテナ装置の構成を示す第１のブロック図
【図１３】上記実施の形態における指向性制御アンテナ装置の構成を示す第２のブロック図
【図１４】上記実施の形態における指向性制御アンテナ装置の構成を示す第３のブロック図
【符号の説明】
１０１ アレーアンテナ
１０２ 受信周波数変換部
１０３ Ａ／Ｄ変換部
１０４ クロック生成部
１０５ 方位推定部
２０１ 位置算出部
３０１ 受信重み係数算出部
３０２ 受信ビーム形成部
４０１ 送信重み係数算出部
４０２ 送信ビーム形成部
４０３ Ｄ／Ａ変換部
４０４ 送信周波数変換部
５０１ 送受信ビーム形成部
６０１ 送信用アレーアンテナ
Claims (7)
- 移動通信システムで用いられる方位推定装置であって、
４以上のアレー素子を使用し、各アレー素子を地面からの高さが互いに異なり、かつ、全てのアレー素子が形成する面が同一の平面にならず、かつ、鉛直方向に互いに重ならないように配置したアレーアンテナと、
各アレー素子の受信信号から得られる共分散行列の固有ベクトル空間を導出し、各アレー素子の空間的配置に基づいて決定される前記アレーアンテナの応答ベクトルと前記固有ベクトル空間とに基づいて、受信電波の水平方向及び鉛直方向を検索により推定する方位推定部と、を含む、
方位推定装置。 - 前記アレー素子の数は４である、請求項１記載の方位推定装置。
- 前記水平方向方位角及び前記鉛直方向方位角に基づいて、送信源の位置を算出する位置算出手段を具備する請求項１又は２に記載の方位推定装置。
- 各アレー素子に受信された無線周波数信号を中間周波数信号またはベースバンド信号に変換する受信周波数変換手段と、
前記受信周波数変換手段のアナログ出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
を含み、
前記方位推定部は、前記ディジタル信号を前記受信信号として入力する、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方位推定装置。 - 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方位推定装置を含む、通信装置。
- 方位推定装置と共に用いられる移動通信システム用のアレーアンテナであって、
前記方位推定装置は、複数のアレー素子の受信信号から得られる共分散行列の固有ベクトル空間を導出し、前記アレー素子の空間的配置に基づいて決定される前記アレーアンテナの応答ベクトルと前記固有ベクトル空間とに基づいて、受信電波の水平方向及び鉛直方向を検索により推定する方位推定部を含み、
前記アレーアンテナは、４以上のアレー素子を使用し、各アレー素子を地面からの高さが互いに異なり、かつ、全てのアレー素子が形成する面が同一の平面にならず、かつ、鉛直方向に互いに重ならないように配置される、
移動通信用のアレーアンテナ。 - 移動通信システムで用いられる方位推定方法であって、
各アレー素子が地面からの高さが互いに異なり、かつ、全てのアレー素子が形成する面が同一の平面にならず、かつ、鉛直方向に互いに重ならないように配置された４以上のアレー素子が使用されたアレーアンテナから得られる共分散行列の固有ベクトル空間を導出し、
各アレー素子の空間的配置に基づいて決定される前記アレーアンテナの応答ベクトルと前記固有ベクトル空間とに基づいて、受信電波の水平方向及び鉛直方向を検索により推定する、
方位推定方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000242961A JP4925502B2 (ja) | 2000-08-10 | 2000-08-10 | アレーアンテナ、方位推定装置、通信装置及び方位推定方法 |
| US09/639,996 US6333713B1 (en) | 1999-08-24 | 2000-08-17 | Direction estimating apparatus, directivity controlling antenna apparatus, and direction estimating method |
| EP00118320A EP1079461A3 (en) | 1999-08-24 | 2000-08-23 | Direction estimating apparatus, directivity controlling antenna apparatus, and direction estimating method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000242961A JP4925502B2 (ja) | 2000-08-10 | 2000-08-10 | アレーアンテナ、方位推定装置、通信装置及び方位推定方法 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002055152A JP2002055152A (ja) | 2002-02-20 |
| JP2002055152A5 JP2002055152A5 (ja) | 2007-08-30 |
| JP4925502B2 true JP4925502B2 (ja) | 2012-04-25 |
Family
ID=18733896
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000242961A Expired - Fee Related JP4925502B2 (ja) | 1999-08-24 | 2000-08-10 | アレーアンテナ、方位推定装置、通信装置及び方位推定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4925502B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007212424A (ja) * | 2006-01-10 | 2007-08-23 | Rcs:Kk | 位置検知装置および位置検知プログラム |
| JP6900805B2 (ja) * | 2017-07-03 | 2021-07-07 | 富士通株式会社 | 埋設機器管理装置、埋設機器管理方法及び埋設機器管理プログラム |
| JP7309749B2 (ja) * | 2018-10-26 | 2023-07-18 | 京セラ株式会社 | 基地局、交通通信システム、及び制御方法 |
| CN113892037A (zh) * | 2019-06-25 | 2022-01-04 | 株式会社村田制作所 | 接收装置以及具备该接收装置的雷达装置、车辆及通信系统 |
| WO2023218632A1 (ja) * | 2022-05-13 | 2023-11-16 | 株式会社日立製作所 | レーダ装置および物標検知方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02205788A (ja) * | 1989-02-03 | 1990-08-15 | Nec Corp | ソノブイの測位装置 |
| JP2668066B2 (ja) * | 1989-12-08 | 1997-10-27 | 三井造船株式会社 | 超音波映像装置用送受波アレイ |
| JPH04303216A (ja) * | 1991-03-30 | 1992-10-27 | Sanyo Electric Co Ltd | 無人搬送車の位置検出装置 |
| JPH09238009A (ja) * | 1996-03-01 | 1997-09-09 | Mitsubishi Electric Corp | 円形アレイアンテナ |
| JP3233088B2 (ja) * | 1998-01-22 | 2001-11-26 | 松下電器産業株式会社 | 指向性制御アンテナ装置 |
-
2000
- 2000-08-10 JP JP2000242961A patent/JP4925502B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002055152A (ja) | 2002-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kutty et al. | Beamforming for millimeter wave communications: An inclusive survey | |
| Ioannides et al. | Uniform circular arrays for smart antennas | |
| US8792915B2 (en) | Method and system for device positioning utilizing distributed transceivers with array processing | |
| US9130611B2 (en) | Method of using zoning map for beam searching, tracking and refinement | |
| Barneto et al. | Multibeam design for joint communication and sensing in 5G new radio networks | |
| Li et al. | Angle-of-arrival estimation for localization and communication in wireless networks | |
| US6333713B1 (en) | Direction estimating apparatus, directivity controlling antenna apparatus, and direction estimating method | |
| CN110221293B (zh) | 一种基于涡旋电磁波的俯仰角成像方法 | |
| Celik et al. | Implementation and experimental verification of hybrid smart-antenna beamforming algorithm | |
| CN104246530A (zh) | 用于doa估计的天线布置 | |
| JP2021118469A (ja) | 電波監視装置および電波監視方法 | |
| JP4925502B2 (ja) | アレーアンテナ、方位推定装置、通信装置及び方位推定方法 | |
| Tsai et al. | Beam AoD-based indoor positioning for 60 GHz MmWave system | |
| JP4166401B2 (ja) | 受信の指向性制御方法及びアンテナ装置並びにこれを用いた移動体通信の基地局及び移動局 | |
| JP2004336390A (ja) | アダプティブアレーおよび測位装置 | |
| Hong et al. | Comparison of MUSIC and ESPRIT for direction of arrival estimation of jamming signal | |
| CN111967118A (zh) | 一种圆形天线阵列的构建装置及方法 | |
| Zekavat | An Introduction to Direction‐of‐Arrival Estimation Techniques via Antenna Arrays | |
| JP2020159705A (ja) | 位置推定装置、及び位置推定方法 | |
| WO2023162104A1 (ja) | 電波の到来方向推定装置、及び電波の到来方向推定方法 | |
| Hanada et al. | Improving DOA Estimation Accuracy by Rotating Planar Array Antenna | |
| JP3936918B2 (ja) | 電波到来方向探知方法及び装置 | |
| JP3640873B2 (ja) | 方位推定装置、指向性制御アンテナ装置及び方位推定方法 | |
| Baharuddin et al. | An Electronically Steerable Antenna Designed for Accurate DoA Determination of U-NII-2-Extended WLAN Devices | |
| Zekavat | An Introduction to Direction‐of‐Arrival Estimation Techniques |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070717 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070717 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100728 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101005 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20101104 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110712 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110805 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120117 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120207 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150217 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4925502 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |