JP5641720B2 - 到来方向推定装置、端末装置、無線通信システムおよび到来方向推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信において信号の到来方向を推定する到来方向推定装置に関する。

近年、高速な無線通信伝送を実現するための技術として、たとえば、送受信機が複数アンテナを用いて高速信号伝送を行う技術、が注目されている。複数アンテナを用いて高速信号伝送を行う場合には、一般的に、信号の到来方向の推定結果を利用して信号処理を行う到来方向推定技術（ＤＯＡ：Direction Of Arrival）が用いられている。この到来方向推定技術では、受信機が、複数アンテナを用いて到来波がどの方角から到来しているかを認知する。そして、受信機では、その到来方向に応じてビーム制御を行う。特に、ＦＤＤ（Frequency Division Duplexing）方式では送受信信号の周波数が異なるため、受信機において送信ビームを形成する際に、受信信号の応答ベクトルをそのまま利用することができない。そのため、到来方向推定を行い、推定到来方向に基づいて送信ビーム形成を行っている。

例えば、下記非特許文献１〜３には、ある特定周波数の受信信号を用いて到来方向推定を行う技術として、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法などが開示されている。

菊間 信良 「アダプティブアレー部分空間追跡法を用いたＤＯＡ逐次推定とアダプティブビームフォーミング技術」, 電子情報通信学会論文誌, Vol.J87-B, No.9, pp.1149-1161, ２００４年９月 R.O.Schmidt 「Multiple emitter location and signal parameter estimation」, IEEE Trans. Antennas Propagat, vol.34, pp.276-280, Mar.1986. 岡根，池田，大槻， "ＴＯＰＳに基づく広帯域到来方向推定法" 電子情報通信学会技術報告 無線通信システム研究会(RCS) RCS2009-33 ２００９年６月

しかしながら、上記従来の技術によれば、アンテナ間隔を、利用する最高周波数の半波長以下とすることで到来方向の不確定性（アンビギュイティ）の発生を抑えている。そのため、到来方向の角度分解能がよくない、という問題があった。一方、アンテナ間隔を半波長以上にした場合、角度分解能は向上するが、グレーティングローブが発生し、到来方向の不確定性が生じる、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、アンビギュイティの発生を抑えつつ、到来方向の角度分解能を向上可能な到来方向推定装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、アンテナ間隔を複数の周波数の中で最も低い周波数の半波長以下で構成し、複数の周波数の信号を受信するアレーアンテナと、アレーアンテナで受信した信号に基づいて周波数ごとに到来方向を変数とした評価関数を算出する評価関数演算手段と、複数の周波数のうち半波長がアンテナ間隔よりも長い周波数の評価関数と、複数の周波数のうち半波長がアンテナ間隔よりも短い周波数の評価関数とに基づいて信号の到来方向を推定する到来方向推定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、アンビギュイティの発生を抑えつつ、到来方向の角度分解能を向上できる、という効果を奏する。

図１は、基地局と端末の構成例を示す図である。 図２は、伝送信号の周波数スペクトルを示す図である。 図３は、到来方向推定処理を示すフローチャートである。 図４は、各アンテナで受信される信号の位相差を示す図である。 図５は、線形配置の２本のアレーアンテナを示す図である。 図６は、評価関数を示す図である。 図７は、伝送信号の周波数スペクトルを示す図である。 図８は、評価関数を示す図である。 図９は、周波数共用アンテナを複数設置した基地局を示す図である。 図１０は、端末の信号送信方法を示す図である。 図１１は、基地局と端末の構成例を示す図である。 図１２は、到来方向推定処理を示すフローチャートである。 図１３は、制御信号フォーマットの一例を示す図である。 図１４は、端末の信号送信方法を示す図である。 図１５は、端末の信号送信方法を示す図である。 図１６は、制御信号フォーマットの一例を示す図である。 図１７は、無線リソース割当の構成を示す図である。 図１８は、到来方向推定処理を示すフローチャートである。 図１９は、制御信号フォーマットの一例を示す図である。 図２０は、無線リソース割当の構成を示す図である。 図２１は、各周波数帯で送信する信号を示す図である。 図２２は、各周波数帯で送信する信号を示す図である。

以下に、本発明にかかる到来方向推定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態の到来方向推定装置を実現する基地局と、当該基地局と無線通信システムを構成する端末の構成例を示す図である。図１において、１は端末のアンテナ、２は周波数変換部、３は信号生成部、４は基地局のアレーアンテナ、５は信号処理部、６は評価値演算部、７は到来方向決定部を表している。

端末は、複数周波数を用いて信号を送信するための周波数変換部２、複数周波数において送信する信号を発生する複数の信号生成武３を備えており、複数の周波数を用いて信号の送信を行っている。なお、必ずしも複数周波数を同時に送信する必要はなく、異なる時間に異なる周波数で信号を送信してもよい。

図２は、端末が送信する伝送信号の周波数スペクトルを示す図である。端末が送信する信号は、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、…である（ｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜ｆ４＜…）。なお、複数周波数の周波数間隔は一定でなくてもよい。また、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、…は実際には帯域を有する周波数帯であるが、特に意識する必要のない場合は簡単のため周波数として説明を行う。

図３は、基地局における到来方向推定処理を示すフローチャートである。まず、基地局では、アレーアンテナ４において、端末から送信された信号を受信し（ステップＳ１）、信号処理部５が、受信した信号をベースバンド帯域に変換する（ステップＳ２）。つぎに、評価値演算部６が、変換後の受信信号に基づいて、評価関数を算出する（ステップＳ３）。

評価値演算部６における評価関数の算出処理について詳細に説明する。アレーアンテナ４の本数をＮ本とした場合、周波数ｆにおいてアンテナ番号ｎ（＝１、２、…、Ｎ）で受信されるｐ番目の時間サンプルの複素受信信号をｘ_n（ｐ）（簡単のため周波数ｆの添字は省略する）とする。このとき、受信信号ベクトルは式（１）のように表される。

Ｘ（ｐ）＝［ｘ₁（ｐ），ｘ₂（ｐ），…，ｘ_N（ｐ）］^T（Ｎ×１） …（１）

また、アンテナ間の相関行列は式（２）によって計算される。

Φ＝Ｅ［Ｘ（ｐ）・Ｘ（ｐ）^H］ …（２）

Ｔは転置、Ｈは転置共役、Ｅ［・］は時間平均を表す。

受信信号ベクトルＸ（ｐ）には、端末からの信号成分および雑音が含まれる。なお、到来方向推定では複数の異なる信号の到来方向を同時に推定する場合もあるが、ここでは１つの信号の到来方向を推定する構成について扱う。これは、無線通信システムなどでよく見られる環境であり、無線通信システムでは特定の１つの端末が決められた周波数で基地局へ信号を送信する場合が多い。この場合、基地局では特定の１つの端末からの信号を受信し、その到来方向推定を行う。

ここで、受信信号の応答ベクトルＵを式（３）の様に表す。

Ｕ＝［ｕ₁，ｕ₂，…，ｕ_N］^T …（３）

周波数ｆにおける受信信号ベクトルＸ（ｐ）は受信信号の応答ベクトルＵを用いて式（４）のように表すことができる。

Ｘ（ｐ）＝Ｕ・ｓ（ｐ）＋Ｚ（ｐ） …（４）

ここで、ｓ（ｐ）はｐ番目の時間サンプルにおける信号であり、Ｚ（ｐ）は式（５）のように表すことができる雑音ベクトルである。

Ｚ（ｐ）＝［ｚ₁（ｐ），ｚ₂（ｐ），…，ｚ_N（ｐ）］^T …（５）

信号ｓ（ｐ）は「Ｅ［｜ｓ（ｐ）｜²］＝１」であり、異なる時間サンプルにおいて無相関である。このとき、相関行列Φに関して、式（６）が成り立つ。

Φ＝Ｅ［Ｘ（ｐ）・Ｘ（ｐ）^H］＝Ｕ・Ｕ^H＋Ｐｚ・Ｉ …（６）

ここで、Ｐｚは雑音電力を表す。応答ベクトルＵは周波数ｆに応じて異なる。これは、図４において、各アンテナで受信される信号の位相差が周波数ｆの波長に依存するためである。図４は、各アンテナで受信される信号の位相差を示す図である。すなわち、低周波数では波長が長く、アンテナ間での位相差は小さくなる。一方、周波数ｆが高く波長が短くなるためアンテナ間での位相差は大きくなる。なお、周波数ｆによらず、端末からの信号は同じ到来方向θを有するが、周波数ｆでの応答ベクトルＵは周波数ｆと到来方向θに依存して決定される。

ここで、等アンテナ間隔ｄのＮアンテナのリニアアレーを想定すると、角度θからの到来信号に対応する応答ベクトルは式（７）で表される。

Ａ（θ）＝［１，ｅｘｐ（−ｊ（２πｄ／λ）ｓｉｎθ），…，ｅｘｐ（−ｊ（２πｄ／λ）（Ｎ−１）ｓｉｎθ）］^T …（７）

λは周波数ｆでの波長である。なお、リニアアレー以外のいかなるアレーに対しても応答ベクトルＡ（θ）を定義でき、リニアアレーは単なる一例に過ぎない。

本実施の形態では、周波数ｆにおいて到来方向θに信号が存在する確度を評価関数として表現する。例えば、評価関数として式（８）を用いることができる。

Ｐ_f（θ）＝Ａ（θ）^HΦＡ（θ） …（８）

式（８）は評価関数の一例であり、到来角θにおける信号の存在の可能性を表現するいかなる評価関数であってもよい。例えば、ＭＵＳＩＣ法に従うと、評価関数は式（９）のように表すことができる。

Ｐ_f（θ）＝Ａ（θ）^HＡ（θ）／｛Ａ（θ）^HＥ_ZＥ_Z ^HＡ（θ）｝ …（９）

ここで、Ｅ_zは雑音部分空間を張る正規直交規定行列であり、Ｅ_zは相関行列Φを式（１０）のように固有展開することで与えられる。

Φ＝Ｅ_SΛ_SＥ_S ^H＋Ｅ_ZΛ_ZＥ_Z ^H …（１０）
Ｅ_S＝［ｅ₁，…，ｅ_L］ …（１１）
Ｅ_Z＝［ｅ_L+1，…，ｅ_N］ …（１２）
Λ_S＝ｄｉａｇ［λ₁，…，λ_L］ …（１３）
Λ_Z＝ｄｉａｇ［λ_L+1，…，λ_N］ …（１４）

λ₁，…，λ_Nは固有値であり、以下の式（１５）の関係がある。

λ₁≧λ₂≧…≧λ_L＞λ_L+1＝…＝λ_N＝Ｐ_Z …（１５）

また、ｅ₁、…、ｅ_Nは対応する固有ベクトルで互いに正規直交関係にある。式（８）、式（９）以外にもガウス雑音を想定した尤度関数を評価関数として用いることも可能である。

本実施の形態では、複数の周波数ｆ１、ｆ２、…、ｆＬにおいて、同様に評価関数を導く。さらに、その評価関数の和、または重み付け和、またはその他の手法により、複数の周波数を総合した評価関数Ｐ（θ）を導く。例えば、Ｐ（θ）を各周波数における評価関数の和として定義する場合には、Ｐ（θ）は式（１６）で表される。

Ｐ（θ）＝Σ_fＰ_f（θ） …（１６）

このように、評価値演算部６において算出された評価関数Ｐ（θ）が最大となる到来方向θを、到来方向決定部７が信号の到来方向として決定する（ステップＳ４）。

この際、本実施の形態では最も低い利用周波数ｆ１において到来方向の不確定性（アンビギュイティ）が生じないようにアンテナ間隔ｄを調整する。具体的には、間隔ｄが周波数ｆ１の半波長以下となるようにｄを設定する。または、限定された到来角範囲をサーチする場合には、その角度範囲内でアンビギュイティが生じないようにｄを設定する。この点は、従来技術と同じである。

従来技術と異なる点として、間隔ｄを周波数ｆ２、ｆ３、…に対しては到来方向の不確定性（アンビギュイティ）が生じてもよい値に設定することができる。これは、周波数ｆ１においてアンビギュイティが生じないことを利用すると、到来方向の候補をある範囲内に限定でき、その限定された角度範囲内で周波数ｆ２がアンビギュイティを持たない場合には、さらに周波数ｆ２によって到来方向の候補を限定することができるためである。同様に、周波数ｆ３に対してさらに到来方向の候補を限定できる。

具体的に、想定した適用例を用いて説明する。図５は、線形配置の２本のアレーアンテナを示す図である。図５に示すように線形配置の２本のアレーアンテナを想定し、アンテナ間隔ｄは周波数ｆ１の半波長と同じとする。５つの周波数ｆ１、ｆ２、…、ｆ５として式（１７）を想定する。

ｆｎ＝ｎ×ｆ１ （ｎ＝１，２，…，５） …（１７）

具体的なイメージとしては、１ＧＨｚ、２ＧＨｚ、３ＧＨｚ、４ＧＨｚ、５ＧＨｚの利用などが考えられる。端末からの信号は角度方向π／１０［ｒａｄ］から到来する場合を想定する。ここで、信号は周波数ごとに到来する。

図６は、周波数ｆ１、ｆ３、ｆ５の評価関数及び全体の評価関数を示す図である。ここでは、評価関数として式（８）、式（１６）を想定し、雑音成分は無視する。図６（ｂ）において、周波数ｆ１の評価関数は１つのピークのみを持ちアンビギュイティは生じない。これは、アンテナ間隔が半波長であるためである。しかし、周波数ｆ１の評価関数曲線はなだらかであり、雑音の影響がある場合には、ピークとなる角度θの推定に誤差が生じやすい。すなわち、周波数ｆ１のみの到来方向推定ではよい角度分解能が得られない。一方、図６（ｃ）、（ｄ）で示す周波数ｆ３、ｆ５の評価関数では類似した波形が繰り返し現れ、アンビギュイティが生じる。この場合、到来方向を特定することが困難となる。従って、従来の到来方向推定ではアンビギュイティが生じないようにアンテナ間隔を設定する必要があった。

これに対して、図６（ａ）において複数周波数を用いた全体の評価関数は１つのピークを持ち、かつピーク周辺の曲線は急峻に変化する。従って、雑音の影響がある場合にもピークとなる角度θの推定に誤差が生じにくい。このように、全体の評価関数を用いれば、到来方向推定に際してアンビギュイティを生じることなく高い角度分解能で到来方向推定を行える。

このように、本実施の形態によれば、低い周波数を用いてアンビギュイティの問題を解消し、高い周波数での急峻な評価関数の変動を利用して角度分解能を向上することができる。その結果、個別の周波数帯では得られなかった高い角度分解能による到来方向推定を実現することができる。

次に、５つの周波数ｆ１、…、ｆ５を以下の式（１８）のように変更した場合の特性について説明する。

ｆｎ＝ｆ１・２^n-1 （ｎ＝１，２，…，５） …（１８）

図７は、式（１８）で示す伝送信号の周波数スペクトルを示す図である。具体的なイメージとしては、１ＧＨｚ、２ＧＨｚ、４ＧＨｚ、８ＧＨｚ、１６ＧＨｚの利用などが考えられる。

図８は、周波数ｆ１、ｆ３、ｆ５の評価関数及び全体の評価関数を示す図である。図８（ｂ）は図６（ｂ）と同様である。この場合、図８（ｃ）、（ｄ）に示すように周波数ｆ３、ｆ５は高くなるため、図６（ｃ）、（ｄ）に比べて周波数ｆ３，ｆ５での評価関数の周期性は強くなり、多くのアンビギュイティが発生する。しかし、図８（ａ）に示すように全体の評価関数では、この強い周期性により、ピーク周辺での曲線はより急峻となる。そのため、雑音の影響を受ける場合にも、高い角度分解能でピークの位置検出を行うことができる。このように、周波数間隔を不均一又は次第に広く設定する構成により、一定の周波数間隔を用いる場合よりもさらに高い角度分解能を実現できる。なお、図６〜８では２アンテナの場合を例としたが、同様の原理は２以上のいかなるアンテナ数に対しても成り立つ。

以上説明したように、本実施の形態では、基地局において複数の周波数による信号伝送に基づき到来方向推定を行う場合、最も低い周波数についてアンビギュイティが生じないアンテナ間隔とするが、その他の周波数についてはアンビギュイティが生じてもよいアンテナ間隔とすることとした。これにより、アンビギュイティが生じる周波数を利用することにより、高い角度分解能で到来方向推定を実現できる。

また、離散的な複数の周波数を用いることにより、少ない数の周波数で高い角度分解能を得ることができる。これにより、連続的な周波数帯を用いる場合と比較して、複数の離散周波数の間にある周波数帯を他のシステムに用いることも可能である。

また、前記複数の周波数が同じ周波数間隔を持つ構成により、安定したピーク検出を行うことができる。さらに、前記複数の周波数が不均一な周波数間隔を持つ構成により、さらに角度分解能の高い到来方向推定を行うことができる。

なお、本実施の形態では、セルラシステムを想定して、端末、基地局を想定して説明したが、いかなる無線局に対しても適用可能である。従って、端末、基地局は一例を示す上での用語に過ぎない。

実施の形態２．
本実施の形態では、基地局が端末から送信された信号の到来方向を推定する場合において、端末側において信号送信回数を減らして送信電力を低減する方法について説明する。実施の形態１と異なる部分について説明する。

今後の無線通信システムでは、複数の周波数帯を利用する構成が多くなると想定される。例えば、セルラー通信では８００ＭＨｚ帯、２ＧＨｚ、３．５ＧＨｚ帯などの利用も想定されており、環境に応じて適応的に利用周波数帯を変更する場合が考えられる。

このような複数の周波数帯を用いる場合、基地局では周波数共用アンテナの利用が想定される。図９に示すように、基地局で周波数共用アンテナが複数設置されると、アンテナ間隔は一定の値となる。従って、利用周波数に応じてアンテナ間隔の波長としてみた幅は変化する。例えば、２ＧＨｚにおいて半波長幅となるように設定すると、３．５ＧＨｚでは０．８７５波長幅となる。その結果、端末から３．５ＧＨｚの信号を受信すると、基地局では到来方向推定に際してアンビギュイティの問題が発生する。しかしながら、この様な場合でも、端末が２ＧＨｚと３．５ＧＨｚで信号を送信することにより、実施の形態１で示した方法により到来方向を推定することで、アンビギュイティの問題を解消できる。

図１０は、端末からの信号送信方法の一般的な構成を示す図である。端末は、基地局に向けて複数の離散的な周波数ｆ１、ｆ２において信号送信する。このように、複数の離散的な周波数で信号送信を行うことで、実施の形態１で示した方法に従い基地局は端末の到来方向を推定でき、アンビギュイティの問題は生じない。なお、推定された到来方向はＦＤＤ（Frequency Division Duplex）基地局の下りリンク送信ビーム形成などに利用できる。

さらに、好ましい形態では、図１０に示すように、端末は基地局に対して周期的に信号送信する。これは、端末の移動とともに到来方向が変化するが、その到来方向の変化に追従するためである。

別の好ましい形態では、端末は、複数の離散的な周波数では異なる周期で信号を送信する。これは、端末の到来方向の変化は周波数に依存しないが、周波数に応じて角度分解能が異なるため、信号の応答ベクトルの追従に必要とされる信号の周期が周波数によって異なるためである。周波数の角度分解能に応じた周期で端末が信号送信することで、基地局は受信信号を効率的に到来方向推定に用いることができる。

また、端末から見れば、到来方向推定に必要となる信号送信回数をなるべく抑えて送信電力を低減しつつ、基地局での到来方向推定を効率的にサポートできる。また、端末が主に特定の周波数ｆ２を用いてデータ送信を行っている場合には、端末は周波数ｆ２において多くの信号を送信し、周波数ｆ１では一部の制御信号のみを送信する。このような場合にも、複数の周波数において異なる周期で信号送信を行う構成が有効となる。

なお、上述の端末から送信される信号はデータ信号でもよく、制御用の信号であってもよい。また、チャネル測定用のパイロット信号またはサウンディング信号でもよい。このような信号の送信を実現するため、基地局はあらかじめ端末に信号を送信する周波数とタイミングを制御信号として通知する。

図１１は、本実施の形態の到来方向推定装置を実現する基地局と、当該基地局と無線通信システムを構成する端末の構成例を示す図である。図１１において、１は端末のアンテナ、２は周波数変換部、３は信号生成部、８は制御信号受信部、４は基地局のアレーアンテナ、５は信号処理部、６は評価値演算部、７は到来方向決定部、９は制御信号送信部を表している。

基地局の制御信号送信部９が、端末に対して信号を送信する周波数とタイミングを制御信号として通知する。端末の制御信号受信部８が、基地局からの制御信号を受信し、受信信号に示された周波数とタイミングで信号を送信するように信号生成部３を制御する。

図１２は、到来方向推定処理を示すフローチャートである。まず、基地局の制御信号送信部９が、端末に対して、信号を送信する周波数とタイミングを示した制御信号を送信する（ステップＳ１１）。

図１３は、基地局から端末へ通知する制御信号フォーマットの一例を示す図である。本制御信号では、信号送信を開始するサブフレームとその送信周期を周波数ｆ１、ｆ２に対して個別に示している。このような制御信号を端末に通知することにより、端末は制御信号により指定された時間・周波数で信号を送信する（ステップＳ１２）。複数の周波数での個々の送信周期などを示す情報は、１つの制御信号として一括して端末に送信されることがより好ましい。この場合、基地局では、制御信号送信部９が離散的な周波数帯での信号送信に関する制御情報をある特定の周波数帯で通知する。このような構成も本実施の形態における特徴の１つである。なお、端末の複数の周波数での個々の送信周期などの制御情報を、対応する複数の周波数帯において、基地局の制御信号送信部９が個別の制御情報として通知することも可能である。

基地局が、端末から受信した信号に基づいて到来方向を推定するまでの処理（ステップＳ１〜Ｓ４）については、実施の形態１と同様である。

また、異なる形態として、図１４に示すように端末は複数の離散的な周波数帯ｆ１、ｆ２において異なる時間で信号を送信する。図１４は、端末からの信号送信方法の一般的な構成を示す図である。このような構成により、端末では、複数の周波数帯で同時に多くの信号を送信して瞬時的に多くの電力を必要とする状態を回避できる。その結果、必要とされる瞬時最大電力を低減することができ、低いコストでのバッテリー、増幅器の設計が可能となる。

このように、基地局から端末に図１４の信号伝送方法を実現する周波数・タイミングを示す制御情報を通知し、端末がその制御情報を認識して信号送信することで、基地局では到来方向を推定でき、かつ、端末では瞬時的に多くの電力を必要とする状態を回避できる。なお、制御信号では、あらかじめ複数の周波数帯で同時に信号送信を行わないことを前提として情報を通知することで、制御情報量を低減することが可能となる。

また、異なる形態として、図１５に示すように、端末が信号を周期的に送信する際、周波数ｆ２で送信することを基本とし、その送信の一部を周波数ｆ１での送信に置き換える構成も有効である。図１５は、端末からの信号送信方法の一般的な構成を示す図である。このような構成を用いれば、周波数ｆ１、ｆ２での信号同時送信を抑えることができ、かつ、端末は安定した周期で信号を送信することができる。また、瞬時的な所要送信電力を低減でき、バッテリーの設計などにとっても有効となる。図１６は、基地局から端末に通知される制御信号フォーマットの一例を示す図である。本制御信号では、信号の送信周期、周波数ｆ１での信号送信周期が規定されており、端末は通常は周波数f２で信号送信を行い、指定された周期で周波数ｆ２での信号送信を停止して代わりに周波数ｆ１での信号送信を行う。

以上説明したように、本実施の形態によれば、到来方向を推定する場合において、基地局が、端末に対して信号を送信する周波数・タイミングを示した制御信号を送信し、端末は、受信した制御信号に基づいて信号を送信することとした。これにより、実施の形態１と同様、基地局において信号の到来方向を推定できるとともに、端末において、送信電力を低減し、瞬時的に多くの電力を必要とする事態を回避する効果を得ることができる。

なお、到来方向を推定する際の処理として、基地局から端末へ制御信号を送信し、制御信号に基づいて端末が信号を送信する場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、基地局から、到来方向を推定する処理とは関係なく端末に対して同様の制御信号を送信してもよい。この様な場合においても、端末において、送信電力を低減し、瞬時的に多くの電力を必要とする事態を回避する効果を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態１、２では離散的な周波数帯、具体的に実施の形態２において周波数帯ｆ１、ｆ２を用いて説明してきたが、本実施の形態では、周波数帯ｆ１、ｆ２のそれぞれが複数のサブキャリアにより構成される場合について説明する。実施の形態１、２と異なる部分について説明する。

本実施の形態における端末と基地局の構成は図１１（実施の形態２）と同等である。例えば、近年良く用いられているＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）は、ある周波数帯において多くのサブキャリアにおいて信号が送信される。このような場合、そのサブキャリアの一部により信号を送信することにより、上述の離散的な周波数帯での信号送信を実現できる。

また、移動通信方式に向けて３ＧＰＰ（3rd Generation Partnership Project）において構築されつつある標準規格ＬＴＥ（Long Term Evolution）−Ａｄｖａｎｃｅｄでは最大２０ＭＨｚの周波数帯域をコンポーネントキャリア（Component Carrier）と呼び、さらに広帯域をサポートする場合には複数のコンポーネントキャリアをならべてサポートする構成が検討されている。

ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄに適用する場合には、コンポーネントキャリアごとに信号を送信する構成を用いてもよい。この場合、周波数ｆ１、ｆ２は各コンポーネントキャリアの周波数に対応する。コンポーネントキャリアは連続周波数となる場合も離散的な周波数となる場合もあり、いずれの場合にも本実施の形態を適用できる。

また、基地局から端末に制御信号を通知する形式はいかなる形式であっても構わない。ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄでは、上りリンクと下りリンクではコンポーネントキャリア単位で制御信号が送信される。下りリンクでは、１つのコンポーネントキャリアにおいて上りリンクの離散周波数ｆ１、ｆ２での信号送信に関する全ての制御信号を送信することもできる。この場合には、基地局は下りリンクにおいて１つのコンポーネントキャリアのみをもちいて制御信号を送信する。端末はその制御信号を受信した後、上りリンクにおいて複数のコンポーネントキャリアで信号送信する。

また、上りリンクでは周波数ｆ１での信号送信をノーマルモードとし、基地局は異なる周波数ｆ２での信号送信を希望する場合のみ、下りリンクで制御信号として端末にその信号送信を要求する構成も可能である。この場合、制御信号では、送信を希望するコンポーネントキャリアの周波数情報及びその送信サブフレーム番号を通知する。異なるコンポーネントキャリアでの送信要求を制御信号として受信した端末は、基地局の要求に従い指定された周波数で上りリンク信号を送信する。基地局が適宜要求信号を送信することにより上りリンクの周波数ｆ２において非周期的な信号送信も可能となる。

図１７は、複数のサブキャリアを含む周波数帯ｆ１とｆ２において、端末が円滑に信号送信を行うための無線リソース割当制御構成を示す図である。本図において、ｆ１−１、ｆ１−２は周波数帯ｆ１に属するサブキャリア番号を表し、ｆ２−１、ｆ２−２、ｆ２−３、ｆ２−４は周波数帯ｆ２に属するサブキャリア番号を表す。まず、信号の無線リソース割当を行うにあたって、図１７の上部に記載されている仮想論理チャネルを考える。仮想論理チャネルでは周波数帯ｆ１とｆ２のサブキャリアが混在しており、混在されたサブキャリア上で端末が使用するエリアをある規則性に従って割り当てる。図１７では時間またはサブフレームごとに一つの論理周波数をずらしながら端末の用いる無線リソースを特定している。端末は論理チャネル上での無線リソース割当を認識すると、対応する実際の物理チャネルで信号を送信する。物理チャネルでは周波数ｆ１とｆ２は異なる離散周波数帯で信号送信される。本実施の形態では、複数の離散周波数帯への割当を一括して論理チャネル上で行うところに特徴がある。

図１７の下の図は実物理チャネルを表しており、実際の端末からの信号送信は時間ごとに異なる周波数帯またはサブキャリアで行われている。このような端末からの信号送信を実現する処理についてフローチャートを用いて説明する。図１８は、到来方向推定処理を示すフローチャートである。まず、基地局の制御信号送信部９が、端末に対して、論理チャネルと物理チャネルのマッピング情報、および無線リソース割当の規則性と割当て無線リソースを特定できるインデックス情報を示したリソース割当についての制御信号を送信する（ステップＳ２１）。

図１９は、基地局から端末へ通知する制御信号フォーマットの一例を示す図である。このような端末からの信号送信を実現するにあたって、制御信号には、論理チャネルと物理チャネルのマッピング情報が含まれており、このマッピング情報から端末は図１７上部の論理周波数の状態を把握できる。さらに、無線リソース割当はある規則性に基づいて論理チャネル上で行われるが、その規則性と割当て無線リソースを特定できるインデックス情報を把握することにより、端末は信号送信を行うべき時間周波数を特定できる。

このような制御信号の構成を用いれば、端末は複数の離散周波数においてある周期性に従って信号送信を行うことができる（ステップＳ２２）。その結果、基地局では端末の到来方向をアンビギュイティの問題なく高い角度分解能で推定することができる。端末から信号を受信してからの処理は実施の形態１、２と同様である（ステップＳ１〜Ｓ４）。また、離散周波数帯への無線リソース割り当てと１つの周波数帯の中でのサブキャリアへの無線リソース割当を統合的に行うことができる。その結果、無線リソース割当を簡潔な形式で行うことが可能となる。

図２０は、図１７と同じ環境において複数の端末に異なる無線リソースを円滑に割り当てるための構成を示す図である。図２０に示すように仮想論理チャネル構成に基づけば、複数端末（端末Ａ、Ｂ）への異なる無線リソース割当を単純な規則性に従って行うことができる。その結果、端末Ａ、Ｂはそれぞれ異なる無線リソースを用いて互いに干渉を及ぼすことなく信号送信を行える。また、周波数帯ｆ１と周波数帯ｆ２に属するサブキャリアを統合的に論理チャネル上で扱うことにより、端末Ａ、Ｂはそれぞれある周期性にしたがって周波数帯ｆ１、ｆ２での信号送信を行うことができる。

このように複数の離散的な周波数帯の無線リソースを統合的な規則性に従って割り当てることで、基地局は、複数端末からの相互の干渉を抑えつつ、個々の端末の到来方向を高い角度分解能で把握することができる。

なお、端末から送信される信号に関してはデータ信号、チャネル測定用サウンディング信号、制御信号などさまざまな形態があるが、１つの周波数帯の中で連続データの復調・復号を完結したいなどの要求により、データ信号を一つの周波数帯のみで送信したい場合もある。また、周波数帯によって信号伝送フォーマットが異なる場合には、同じ信号伝送フォーマットを用いて一つの周波数帯のみで信号伝送を行いたい場合もある。

このような場合、例えば、図２１に示すように周波数帯ｆ２でデータ信号を送信し、周波数帯ｆ１では制御信号のみを送信する形態も可能である。これにより、各周波数帯のみでデータ信号及び制御信号の送信を完結できるため、異なる周波数帯での信号送信に際しても伝送フォーマットの変更等は必要ない。また、基地局は複数の周波数帯でのチャネル応答ベクトルを把握できるため、円滑に到来方向推定を行うことができる。

また、別の形態として、図２２に示すように、複数周波数帯ｆ１、ｆ２でそれぞれ個別に独立なデータ送信を行う構成も有効である。この場合、周波数帯ｆ１、ｆ２ではそれぞれ独立に連続データの復調・復号・再送制御などの処理が行われる。周波数帯ｆ１で送信された信号の再送は周波数帯ｆ１で行われるため、周波数帯に応じた信号フォーマットの変更などの必要もない。

このような複数の周波数帯での信号伝送により、基地局では高い角度分解能で端末の到来方向推定を行うことができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、１つの周波数帯が多くのサブキャリアによって構成されている場合においても、実施の形態１、２と同様、到来方向を推定することができる。また、端末において、送信電力を低減し、瞬時的に多くの電力を必要とする事態を回避する効果を得ることができる。

さらに、複数の端末に対して異なる無線リソースを割り当てることにより、基地局において、複数端末からの相互の干渉を抑えつつ、個々の端末の到来方向を高い角度分解能で把握することができる。

なお、以上の実施の形態において、無線通信システムにおける端末と基地局を例として説明したが、端末、基地局以外のいかなる無線局に対しても同じ原理を適用することが可能である。また、各実施の形態で説明した処理を組み合せることも可能である。

また、無線における到来方向推定を想定したが、電波以外のいかなる波形に対しても同様の原理を適用することが可能である。例えば、音波、光波、水面波などの波に対しても、同様の複数の周波数帯を用いた到来方向推定を適用可能である。すなわち、ソナーやマイクロフォンなどへ適用することが可能である。

以上のように、本発明にかかる到来方向推定装置は、高速通信を行う基地局に有用であり、特に、複数アンテナを備えた基地局に適している。

１ アンテナ
２ 周波数変換部
３ 信号生成部
４ アレーアンテナ
５ 信号処理部
６ 評価値演算部
７ 到来方向決定部
８ 制御信号受信部
９ 制御信号送信部

Claims (23)

1. アンテナ間隔を複数の周波数の中で最も低い周波数の半波長以下で構成し、前記複数の周波数の信号を受信するアレーアンテナと、
   前記アレーアンテナで受信した信号に基づいて周波数ごとに到来方向を変数とした評価関数を算出する評価関数演算手段と、
   前記複数の周波数のうち半波長が前記アンテナ間隔よりも長い周波数の前記評価関数と、前記複数の周波数のうち半波長が前記アンテナ間隔よりも短い周波数の前記評価関数とに基づいて信号の到来方向を推定する到来方向推定手段と、
   を備えることを特徴とする到来方向推定装置。
2. 前記複数の周波数の信号が、同じ周波数間隔であることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
3. 前記複数の周波数の信号が、不均一な周波数間隔であることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
4. さらに、
   前記複数の周波数の信号を送信可能な端末装置に対して、送信信号の周波数および送信タイミングを指示するための制御信号を送信する制御信号送信手段、
   を備えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の到来方向推定装置。
5. 仮想論理チャネル上の複数のサブキャリアで信号を送信し、無線リソース制御が可能な場合、
   前記制御信号送信手段は、前記端末装置に対して、無線リソース割当を通知するための制御信号を送信する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の到来方向推定装置。
6. 前記制御信号送信手段は、前記端末装置に対して、離散的な複数の周波数を用いてデータ信号を送信させるための制御信号を送信する、
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の到来方向推定装置。
7. 前記制御信号送信手段は、前記端末装置に対して、周波数ごとに異なる周期でデータ信号を送信させるための制御信号を送信する、
   ことを特徴とする請求項４、５または６に記載の到来方向推定装置。
8. 前記制御信号送信手段は、前記端末装置に対して、複数の周波数で送信時間帯が重ならないようにデータ信号を送信させるための制御信号を送信する、
   ことを特徴とする請求項４〜７のいずれか１つに記載の到来方向推定装置。
9. 前記制御信号送信手段は、前記端末装置に対して、データ信号と端末装置からの制御信号とを異なる周波数で送信させるための制御信号を送信する、
   ことを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つに記載の到来方向推定装置。
10. 前記制御信号送信手段は、前記端末装置に対して、特定の周波数でデータ信号を送信させる場合にデータ信号の一部を他の周波数に置き換えて送信させるための制御信号を送信する、
    ことを特徴とする請求項４〜９のいずれか１つに記載の到来方向推定装置。
11. 前記制御信号送信手段は、前記端末装置に対して、周期的に信号を送信させるための制御信号を送信する、
    ことを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１つに記載の到来方向推定装置。
12. 前記端末装置に対して複数の周波数で制御信号の送信が可能な場合、
    前記制御信号送信手段は、前記端末装置に対して１つの周波数を用いて制御信号を送信する、
    ことを特徴とする請求項４〜１１のいずれか１つに記載の到来方向推定装置。
13. 請求項４〜１２のいずれか１つに記載の到来方向推定装置とともに無線通信システムを構成する端末装置であって、
    信号を生成して送信する信号生成手段と、
    前記到来方向推定装置から受信した制御信号に基づいて、前記信号生成手段による送信信号の生成を制御する制御信号受信手段と、
    を備えることを特徴とする端末装置。
14. 請求項４〜１２のいずれか１つに記載の到来方向推定装置と、
    請求項１３に記載の端末装置と、
    を備えることを特徴とする無線通信システム。
15. アンテナ間隔を複数の周波数中で最も低い周波数の半波長以下で構成するアレーアンテナで前記複数の周波数の信号を受信する受信ステップと、
    受信信号に基づいて周波数ごとに到来方向を変数とした評価関数を算出する評価関数演算ステップと、
    前記複数の周波数のうち半波長が前記アンテナ間隔よりも長い周波数の前記評価関数と、前記複数の周波数のうち半波長が前記アンテナ間隔よりも短い周波数の前記評価関数とに基づいて信号の到来方向を推定する到来方向推定ステップと、
    を含むことを特徴とする到来方向推定方法。
16. さらに、
    前記複数の周波数の信号を送信可能な端末装置に対して送信信号の周波数および送信タイミングを指示するための制御信号を送信する制御信号送信ステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１５に記載の到来方向推定方法。
17. 前記制御信号送信ステップでは、無線リソース割当を通知するための制御信号を送信する、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の到来方向推定方法。
18. 前記制御信号送信ステップでは、離散的な複数の周波数を用いてデータ信号を送信させるための制御信号を送信する、
    ことを特徴とする請求項１６または１７に記載の到来方向推定方法。
19. 前記制御信号送信ステップでは、周波数ごとに異なる周期でデータ信号を送信させるための制御信号を送信する、
    ことを特徴とする請求項１６、１７または１８に記載の到来方向推定方法。
20. 前記制御信号送信ステップでは、複数の周波数で送信時間帯が重ならないようにデータ信号を送信させるための制御信号を送信する、
    ことを特徴とする請求項１６〜１９のいずれか１つに記載の到来方向推定方法。
21. 前記制御信号送信ステップでは、データ信号と端末装置からの制御信号とを異なる周波数で送信させるための制御信号を送信する、
    ことを特徴とする請求項１６〜２０のいずれか１つに記載の到来方向推定方法。
22. 前記制御信号送信ステップでは、特定の周波数でデータ信号を送信させる場合にデータ信号の一部を他の周波数に置き換えて送信させるための制御信号を送信する、
    ことを特徴とする請求項１６〜２１のいずれか１つに記載の到来方向推定方法。
23. 前記制御信号送信ステップでは、周期的に信号を送信させるための制御信号を送信する、
    ことを特徴とする請求項１６〜２２のいずれか１つに記載の到来方向推定方法。

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