JP6536159B2 - 無線通信装置およびウェイト行列の決定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信装置およびウェイト行列の決定方法に関する。
マルチアンテナ技術は、無線通信において、送信・受信を複数のアンテナを用いて行うことにより、通信容量、周波数の利用効率、消費電力等の改善を行う技術である。なお、送信側・受信側いずれかのアンテナ数が１つであっても、他方のアンテナ数に応じて通信品質の改善等を行うことが可能である。
このようなマルチアンテナ技術に関する用語として、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）がある。ＭＩＭＯとは、通信用語として用いられる場合、送信側及び受信側両方が複数のアンテナを用いる通信方式を指すことが多いが、マルチアンテナ技術全般を指して使われることもある（例えば、非特許文献１参照）。
マルチアンテナ信号の処理アルゴリズムによって得られる利点としては、次の４つが挙げられる。
（１）空間ダイバーシチ（Spatial Diversity）
（２）合成利得（Coherent Gain）
（３）干渉波除去（Interference Mitigation）
（４）空間多重（Spatial Multiplexing）
前記空間ダイバーシチは、空間的に離れたアンテナを用いることで、マルチパスなどの影響による通信品質の劣化を小さくすることである。
前記合成利得は、受信側・送信側の各アンテナの信号に対して伝搬路の情報（振幅、位相の変化）を利用した重み（ウェイト）をかけることで、希望方向からの受信電力と雑音の比を大きくすることである。
前記干渉波除去は、各アンテナからの受信信号に対して、所望信号以外の到来信号（干渉信号）を打ち消すように重みをかけて合成する。受信アンテナ数よりも一つ小さい数の干渉信号を除去することができる。到来信号の伝搬係数が未知であるならば、なんらかの学習アルゴリズムを用いる必要がある。
前記空間多重は、干渉波除去を応用して同時に複数の通信路を確立する方法である。一人のユーザが複数のアンテナから異なる信号を送信して通信容量を増やす方法と、複数のユーザが同時に通信を行って周波数利用効率を高める方法とがある。後者の方法は、ＳＤＭＡ（Space Division Multiple Access）と呼ばれる。
服部武、藤岡雅宣編著、改訂版ワイヤレス・ブロードバンド教科書高速ＩＰワイヤレス編、株式会社インプレスＲ＆Ｄ、２００６年６月２１日、ｐ１９３
ＭＩＭＯ通信において、例えば同一のセクタ向けの複数のベースバンド信号を送信するためには、これら複数のベースバンド信号それぞれに対応した複数のアンテナを設置する必要がある。このため、アンテナサイトに複数のアンテナが設置されることで美観が損なわれるという問題や、複数のアンテナを設置することができるアンテナサイト自体を確保するのが難しくなるという問題がある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、同一の領域向けの複数の送信信号を、その送信信号の数よりも少ない数のアンテナで送信することができるようにすることを目的とする。
本発明の一態様に係る無線通信装置は、同一の領域向けの複数の送信信号を生成するベースバンド部と、複数のアンテナ素子を有するアンテナと、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数の送信信号それぞれにウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成する信号処理部と、を備えている無線通信装置である。
本発明の一態様に係るウェイト行列の決定方法は、ベースバンド部で生成された同一の領域向けの複数の送信信号に乗算するウェイト行列の決定方法であって、前記ウェイト行列における、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの候補として、当該ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの数よりも多い数のウェイト候補を、前記領域へのビームのチルト角に基づいて選択する選択ステップと、前記選択ステップで選択されたウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補を前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルとして決定する決定ステップと、を含むウェイト行列の決定方法である。
本発明によれば、同一の領域向けの複数の送信信号を、その送信信号の数よりも少ない数のアンテナで送信することができる。
本発明の第１実施形態に係る無線通信装置を示す図である。 アンテナシステムの送信側の構成を示したブロック図である。 無線通信装置の制御構成を示すブロック図である。 制御部が実行するウェイト行列の決定手順を示すフローチャートである。 ウェイト行列をＤＦＴ行列に基づいて生成した場合におけるアンテナの垂直面指向性を示す図である。 ウェイト行列をＤＣＴ行列に基づいて生成した場合におけるアンテナの垂直面指向性を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信装置が備えるアンテナシステムの送信側の構成を示すブロック図である。 図７のアンテナシステムが備えるバトラーマトリックス回路の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る無線通信装置が備えるアンテナシステムの送信側の構成を示すブロック図である。 図９の無線通信装置の制御構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態に係る無線通信装置が備えるアンテナシステムの送信側の構成を示すブロック図である。
［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本発明の実施形態に係る無線通信装置は、同一の領域向けの複数の送信信号を生成するベースバンド部と、複数のアンテナ素子を有するアンテナと、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数の送信信号それぞれにウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成する信号処理部と、を備えている。
ここで、「領域」とは、単一のセクタ、または複数のセクタに分割されていない単一のセルであって、無線通信装置と無線通信を行う移動端末がハンドオーバーせずに移動可能な領域を意味する。
上記無線通信装置によれば、ベースバンド部で生成された同一の領域向けの複数の送信信号それぞれを、一のアンテナが有する複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数の送信信号それぞれにウェイト行列を乗算して各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成することになる。このため、同一の領域向けの複数の送信信号を、一のアンテナを共用して送信することができる。この結果、同一の領域向けの複数の送信信号を、その送信信号の数よりも少ない数のアンテナにより送信することができる。
（２）前記無線通信装置において、前記信号処理部は、前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれをアナログの送信信号に変換する複数のデジタルアナログ変換器と、変換された送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配する複数の分配器と、分配された送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分に基づいて位相調整を行う複数の移相器と、位相調整された送信信号のうち、各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成する複数の合成器と、を有し、前記アンテナは、前記合成器で合成された送信信号それぞれを増幅して対応する前記アンテナ素子に与える複数の増幅器をさらに有するのが好ましい。
この場合、複数のデジタルアナログ変換器は、複数の分配器の前段に設けられることになる。このため、当該デジタルアナログ変換器を、同一の領域向けの複数の送信信号それぞれに対応して設ければよく、複数のアンテナ素子ごとにデジタルアナログ変換器を設ける場合よりもデジタルアナログ変換器の数を減らすことができる。この結果、低コスト化が可能となる。
また、移相器は増幅器の前段に設けられるため、移相器には増幅前の送信信号が与えられる。増幅前の送信信号は、増幅後の送信信号と比較してより低い電力であるため、取り扱うことが可能な信号電力の値が比較的低い移相器の使用が可能となる。これにより、より小型で低コストな移相器を用いることが可能となり、より低コストとすることができるとともに小型化も可能となる。
（３）前記無線通信装置において、前記信号処理部は、前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれをアナログの送信信号に変換する複数のデジタルアナログ変換器と、変換された送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配する複数の分配器と、分配された送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分に基づいて位相調整を行う複数の移相器と、位相調整された送信信号のうち、各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成する複数の合成器と、を有し、前記アンテナよりも前段側に設けられ、複数の送信信号それぞれを増幅する複数の増幅器をさらに備えていてもよい。
この場合、複数のデジタルアナログ変換器は、複数の分配器よりも前段側に設けられることになる。このため、当該デジタルアナログ変換器を、同一の領域向けの複数の送信信号それぞれに対応して設ければよく、複数のアンテナ素子ごとにデジタルアナログ変換器を設ける場合よりもデジタルアナログ変換器の数を減らすことができる。この結果、低コスト化が可能となる。
（４）前記無線通信装置において、前記信号処理部は、前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数のデジタルの送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成するデジタル信号処理部であり、前記アンテナは、前記デジタル信号処理部で合成された送信信号それぞれを増幅して対応する前記アンテナ素子に与える複数の増幅器をさらに有していてもよい。
この場合、ベースバンド部で生成された送信信号の分配から合成までの信号処理をデジタル信号処理によって行うことができるため、当該信号処理をアナログ信号処理によって行う場合と比較して高度な通信制御を行うことができる。
（５）前記無線通信装置において、前記信号処理部は、前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数のデジタルの送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成するデジタル信号処理部であり、
前記アンテナよりも前段側に設けられ、複数の送信信号それぞれを増幅する複数の増幅器をさらに備えていてもよい。
この場合、ベースバンド部で生成された送信信号の分配から合成までの信号処理をデジタル信号処理によって行うことができるため、当該信号処理をアナログ信号処理によって行う場合と比較して高度な通信制御を行うことができる。
（６）前記無線通信装置において、前記ウェイト行列において、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトル同士またはウェイト列ベクトル同士が互いに直交しているのが好ましい。
ここで、ウェイト行ベクトル同士またはウェイト列ベクトル同士が互いに「直交している」とは、２つのウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの相互相関の和が０になることを意味する。
この場合、同一の領域向けの複数の送信信号の相互相関を小さくすることができる。
（７）上記ウェイト行列を、離散フーリエ変換行列に基づいて生成した場合、一のアンテナから送信された複数の送信信号を受信する移動端末は、その受信位置によって特定の送信信号だけを強く受信する場合がある。この場合には送信信号間の電力にばらつきが生じるため、ＭＩＭＯ通信の効果を十分に発揮することができない。
このため、前記ウェイト行列は、離散コサイン変換行列に基づいて生成されるものであるのが好ましい。この場合、移動端末は、一のアンテナから送信された複数の送信信号をバランス良く受信することができる。これにより、移動端末が複数の送信信号を受信したときに送信信号間の電力はばらつかないため、離散フーリエ変換行列に基づいてウェイト行例を生成する場合に比べてＭＩＭＯ通信の効果を発揮しやすくなる。
（８）前記無線通信装置において、前記ウェイト行列における、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの候補として、当該ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの数よりも多い数のウェイト候補を、前記領域へのビームのチルト角に基づいて選択する選択部と、前記選択部で選択されたウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補を前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルとして決定する決定部と、をさらに備えているのが好ましい。
この場合、選択部において、ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの候補となる多数のウェイト候補を、領域へのビームのチルト角に基づいて選択するため、これらのウェイト候補を容易かつ迅速に絞り込みことができる。また、決定部において、多数のウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補をウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルとして決定するため、所望の通信品質を得ることができる。
（９）前記無線通信装置において、前記ウェイト行列における、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの候補として、当該ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの数よりも多い数のウェイト候補を、前記領域へのビームのチルト角に基づいて選択する選択部と、前記選択部で選択されたウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補を前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルとして決定する決定部と、をさらに備え、前記離散コサイン変換行列の行ベクトルまたは列ベクトルは、前記選択部が選択する前記ウェイト候補とされているのが好ましい。
この場合、選択部において、ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの候補となる多数のウェイト候補を、領域へのビームのチルト角に基づいて選択するため、これらのウェイト候補を容易かつ迅速に絞り込みことができる。また、離散コサイン変換行列の行ベクトルまたは列ベクトルは、前記選択部が選択するウェイト候補とされているので、離散コサイン変換行列に基づいてウェイト行列を容易に生成することができる。さらに、決定部において、多数のウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補をウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルとして決定するため、所望の通信品質を得ることができる。
（１０）本発明の実施形態に係るウェイト行列の決定方法は、ベースバンド部で生成された同一の領域向けの複数の送信信号に乗算するウェイト行列の決定方法であって、前記ウェイト行列における、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの候補として、当該ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの数よりも多い数のウェイト候補を、前記領域へのビームのチルト角に基づいて選択する選択ステップと、前記選択ステップで選択されたウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補を前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルとして決定する決定ステップと、を含む。
上記ウェイト行列の決定方法によれば、選択ステップにおいて、ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの候補となる多数のウェイト候補を、領域へのビームのチルト角に基づいて選択するため、これらのウェイト候補を容易かつ迅速に絞り込みことができる。また、決定ステップにおいて、多数のウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補をウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルとして決定するため、所望の通信品質を得ることができる。
［本発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施形態について添付図面に基づき詳細に説明する。
＜無線通信装置の全体構成について＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る無線通信装置を示す図である。図中、無線通信装置１は、例えば、ＬＴＥ（Long Term Evolution）が適用される携帯電話用の無線通信システムにおいて基地局装置として用いられるものであり、携帯電話といった移動端末（図示せず）と無線通信を行う機能を有している。
図１に示すように、無線通信装置１は、ベースバンド部であるベースバンドユニット（ＢＢＵ）２と、アンテナシステム３とを備えている。
ベースバンドユニット２は、当該ベースバンドユニット２から延びる信号伝送路（光伝送路または電気伝送路）４によってアンテナシステム３に接続されている。
ベースバンドユニット２は、上位ネットワークから与えられる送信データに対してデジタル変調処理を行い、デジタル信号として、同一のセルＣ（後述）向けの複数の送信ベースバンド信号を生成する機能を有している。
ベースバンドユニット２は、送信データを変調して得た送信ベースバンド信号（Ｉ／Ｑ信号）を信号伝送路４を介してアンテナシステム３に与える。
また、ベースバンドユニット２は、アンテナシステム３から信号伝送路４を介して与えられるデジタル信号である受信ベースバンド信号（Ｉ／Ｑ信号）を取得し、この受信ベースバンド信号に対してデジタル復調処理を行い受信データを生成する機能を有している。ベースバンドユニット２は、受信ベースバンド信号を復調して得た受信データを上位ネットワークに与える。
このように、ベースバンドユニット２は、無線通信によって送受信されるデータ及びベースバンド信号に対してデジタル変復調処理等の処理を行う機能を有している。
アンテナシステム３は、支柱５によって上方に支持されている複数（図例では３つ）のアンテナ６を備えている。
各アンテナ６は、無線通信装置１の周囲を３つに分割したときの内の１つの領域が移動端末との間で通信可能な領域であるセルＣとして設定される。
アンテナシステム３は、３つのアンテナ６を備えることで、移動端末との間で通信可能なセルＣを当該アンテナシステム３の周囲に形成する。
本実施形態の各アンテナ６は、後述するように、複数のアンテナ素子を備えており、各アンテナ素子によって送信される信号それぞれの位相や利得を調整することによって、当該アンテナ６のチルト角（指向性）を制御することができる。これにより、各アンテナ６は、同一の領域（セル）に向けて互いに異なるチルト角で、アンテナ６から遠ざかる方向に沿って複数（図例では２つ）の送信信号を送信することができる。
なお、本実施形態における「領域」はセクタ分割なしの単一のセルＣとされているが、単一のセルＣを複数のセクタに分割している場合には単一のセクタを「領域」としても良い。すなわち、「領域」は、無線通信装置１と無線通信を行う移動端末がハンドオーバーせずに移動できる領域であれば良い。
＜アンテナシステムの構成について＞
図２は、第１実施形態に係るアンテナシステム３の送信側の構成を示したブロック図である。本実施形態におけるアンテナシステム３は、送信信号の分配、位相調整および合成等の信号処理をアナログ信号処理によって行うように構成されたアクティブアンテナシステムからなる。
アンテナシステム３は、デジタル信号処理部１０と、アナログ信号処理部７と、アンテナ６とを備えている。アンテナ６は、複数（図例では６つ）のアンテナ素子９と、これらのアンテナ素子９それぞれに対応する複数（図例では６つ）の電力増幅器１８とを有している。
デジタル信号処理部１０は、同一の領域向けの複数（図例では２つ）の送信ベースバンド信号がベースバンドユニット２から与えられる。以下、これら２つの送信ベースバンド信号のうち、一方を第１送信ベースバンド信号、他方を第２送信ベースバンド信号ともいう。
デジタル信号処理部１０は、第１送信ベースバンド信号及び第２送信ベースバンド信号に対し必要に応じてデジタル信号処理を行った後、これら送信ベースバンド信号をアナログ信号処理部７に与える。
アナログ信号処理部７は、デジタル信号処理部１０から与えられる複数の送信信号それぞれを複数のアンテナ素子９それぞれに対応して分配し、分配された複数の送信信号それぞれに、利得調整や位相調整を利用してウェイト行列（後述）の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子９に対応する送信信号同士を合成する信号処理部として機能する。
アナログ信号処理部７は、複数のデジタルアナログ変換器１１と、複数のアップコンバータ１２と、分配器１４と、複数の可変減衰器１５と、複数の移相器１６と、複数の合成器１７とを備えている。
デジタルアナログ変換器１１は、２つの送信ベースバンド信号それぞれに対応して一対設けられている。一方のデジタルアナログ変換器１１ａには、デジタル信号処理部１０から第１送信ベースバンド信号が与えられ、他方のデジタルアナログ変換器１１ｂには、デジタル信号処理部１０から第２送信ベースバンド信号が与えられる。
デジタルアナログ変換器１１ａは、デジタル信号である第１送信ベースバンド信号をアナログ信号に変換する機能を有している。また、デジタルアナログ変換器１１ｂは、デジタル信号である第２送信ベースバンド信号をアナログ信号に変換する機能を有している。
デジタルアナログ変換器１１（１１ａ、１１ｂ）は、アナログ信号に変換した第１送信ベースバンド信号および第２送信ベースバンド信号をアップコンバータ１２に与える。
アップコンバータ１２は、一対のデジタルアナログ変換器１１それぞれに対応して一対設けられている。一方のアップコンバータ１２ａには、アナログ信号に変換された第１送信ベースバンド信号が与えられ、他方のアップコンバータ１２ｂには、アナログ信号に変換された第２送信ベースバンド信号が与えられる。
アップコンバータ１２ａは、発振器１３が生成する無線周波数のローカル信号を第１送信ベースバンド信号に乗算することで第１送信ベースバンド信号を無線周波数の信号（第１無線周波数信号）に変換（アップコンバート）する機能を有している。
アップコンバータ１２ｂは、発振器１３が生成する無線周波数のローカル信号を第２送信ベースバンド信号に乗算することで第２送信ベースバンド信号を無線周波数の信号（第２無線周波数信号）に変換（アップコンバート）する機能を有している。
アップコンバータ１２（１２ａ、１２ｂ）は、第１送信ベースバンド信号を周波数変換することにより得た第１無線周波数信号、および第２送信ベースバンド信号を周波数変換することにより得た第２無線周波数信号を分配器１４に与える。
分配器１４は、一対のデジタルアナログ変換器１１それぞれに対応して一対設けられている。一方の分配器１４ａには、アップコンバータ１２ａから第１無線周波数信号が与えられ、他方の分配器１４ｂには、アップコンバータ１２ｂから第２無線周波数信号が与えられる。
分配器１４ａは、第１無線周波数信号を複数のアンテナ素子９それぞれに対応して複数に分配する。
また、分配器１４ｂは、第２無線周波数信号を複数のアンテナ素子９それぞれに対応して複数に分配する。
本実施形態において、アンテナ６はアンテナ素子９を６つ備えているので、分配器１４ａ、１４ｂは、アップコンバータ１２から与えられる無線周波数信号を６つに分配する。
複数の合成器１７は、両分配器１４ａ、１４ｂの後段に設けられている。合成器１７は、複数のアンテナ素子９それぞれに対応して複数（６つ）設けられている。各合成器１７は、複数の移相器１６および複数の可変減衰器１５を介して各分配器１４に接続されている。
両分配器１４ａ、１４ｂによって分配された無線周波数信号は、可変減衰器１５による利得調整、および移相器１６による位相調整が行われた後、合成器１７に与えられる。
各合成器１７には、分配器１４ａ、１４ｂによって分配された無線周波数信号のうち、互いに同一のアンテナ素子に対応して分配された無線周波数信号が与えられる。
各合成器１７は、互いに同一のアンテナ素子に対応して分配された無線周波数信号同士を合成するように構成されている。
例えば、図２中、紙面上最も上側に位置する合成器１７は、紙面上最も上側に位置するアンテナ素子９に対応して設けられている。この紙面上最も上側に位置する合成器１７には、分配器１４ａにより紙面上最も上側に位置するアンテナ素子９に対応して分配された無線周波数信号と、分配器１４ｂにより紙面上最も上側に位置するアンテナ素子９に対応して分配された無線周波数信号とが与えられる。
このように、各合成器１７には、同一のアンテナ素子９に対応する信号同士である、分配器１４ａからの無線周波数信号と、分配器１４ｂからの無線周波数信号とが与えられる。
各合成器１７は、これら同一のアンテナ素子９に対応する無線周波数信号同士を合成し、その合成信号を出力する。
各合成器１７が出力する合成信号は、アンテナ６の電力増幅器１８に与えられ、当該電力増幅器１８によって増幅された後、アンテナ素子９に与えられる。
各アンテナ素子９に与えられた合成信号は、各アンテナ素子９から空間に放射され、無線信号として送信される。
複数の可変減衰器１５は、分配器１４の後段であって、分配器１４と移相器１６との間に設けられている。複数の可変減衰器１５は、一方の分配器１４ａと移相器１６との間に接続された複数の第１可変減衰器１５ａと、他方の分配器１４ｂと各合成器１７との間に接続された複数の第２可変減衰器１５ｂとを含んでいる。
第１可変減衰器１５ａおよび第２可変減衰器１５ｂは、いずれも複数のアンテナ素子９それぞれに対応して複数（６つ）設けられている。
複数の第１可変減衰器１５ａには、一方の分配器１４ａによって分配された第１無線周波数信号が与えられる。
複数の第１可変減衰器１５ａは、分配器１４ａによって分配された第１無線周波数信号それぞれに対して利得調整を行う。
複数の第２可変減衰器１５ｂには、他方の分配器１４ｂによって分配された第２無線周波数信号が与えられる。
複数の第２可変減衰器１５ｂは、分配器１４ｂによって分配された第２無線周波数信号それぞれに対して利得調整を行う。
このように、可変減衰器１５は、複数のアンテナ素子９における複数の送信信号（第１無線周波数信号および第２無線周波数信号）ごとに利得調整を行う。
複数の移相器１６は、分配器１４よりも後段であって、可変減衰器１５と合成器１７との間に設けられている。複数の移相器１６は、第１可変減衰器１５ａと各合成器１７との間に接続された複数の第１移相器１６ａと、第２可変減衰器１５ｂと各合成器１７との間に接続された複数の第２移相器１６ｂとを含んでいる。第１移相器１６ａおよび第２移相器１６ｂは、いずれも複数のアンテナ素子９それぞれに対応して複数（６つ）設けられている。また、第１移相器１６ａおよび第２移相器１６ｂは、半導体スイッチによって線路を切り替えるように構成された半導体移相器からなる。
複数の第１移相器１６ａには、第１可変減衰器１５ａによって利得調整された第１無線周波数信号が与えられる。
複数の第１移相器１６ａは、第１可変減衰器１５ａによって利得調整された第１無線周波数信号それぞれに対して位相調整を行う。これによって、複数の第１移相器１６ａは、第１無線周波数信号が複数のアンテナ素子９のそれぞれから送信されたときの当該アンテナ素子９のチルト角（指向性）を制御することができる。
複数の第２移相器１６ｂには、第２可変減衰器１５ｂによって利得調整された第２無線周波数信号が与えられる。
複数の第２移相器１６ｂは、第２可変減衰器１５ｂによって利得調整された第２無線周波数信号それぞれに対して位相調整を行う。これによって、複数の第２移相器１６ｂは、第２無線周波数信号が複数のアンテナ素子９のそれぞれから送信されたときの当該アンテナ素子９のチルト角（指向性）を制御することができる。
複数の第１移相器１６ａおよび複数の第２移相器１６ｂは、第１無線周波数信号を複数のアンテナ素子９から送信する際のチルト角と、第２無線周波数信号を複数のアンテナ素子９から送信する際のチルト角とが互いに異なるように位相調整を行う。
このように、移相器１６は、複数のアンテナ素子９における複数の送信信号（第１無線周波数信号及び第２無線周波数信号）ごとのチルト角（指向性）が当該複数の送信信号それぞれに対応するチルト角となるように、複数の送信信号（第１無線周波数信号及び第２無線周波数信号）ごとに位相調整を行う。
以上のように、分配器１４ａによって分配された第１無線周波数信号と、分配器１４ｂによって分配された第２無線周波数信号とは、それぞれ可変減衰器１５による利得調整および移相器１６による位相調整が行われた後、各合成器１７に与えられる。
各合成器１７は、これら同一のアンテナ素子９に対応する第１無線周波数信号および第２無線周波数信号を合成し、合成信号を出力する。
各合成器１７が出力する合成信号は、アンテナ６の電力増幅器１８により増幅されて各アンテナ素子９に与えられ、各アンテナ素子９から無線信号として送信される。各アンテナ素子９は、第１無線周波数信号と第２無線周波数信号とを合成した合成信号を送信することによって、第１無線周波数信号と第２無線周波数信号とを送信することができる。
各アンテナ素子９から送信される第１無線周波数信号は、複数の第１移相器１６ａによるチルト角の制御によって送信される。
また、各アンテナ素子９から送信される第２無線周波数信号は、複数の第２移相器１６ｂによるチルト角を、複数の第１移相器１６ａによるチルト角とは異なるように制御されて送信される。
これによって、アンテナシステム３は、同一の領域に向けて互いに異なるチルト角で複数の信号を送信信号を送信することができる。
＜無線通信装置の制御構成について＞
図３は、無線通信装置１の制御構成を示すブロック図である。
無線通信装置１は、複数の可変減衰器１５および複数の移相器１６をそれぞれ個別に制御する制御部３０を備えている。
制御部３０は、ＣＰＵや記憶部等を含むコンピュータによって構成されており、記憶部に記憶されたプログラム等を読み出して以下に説明する当該制御部３０が有する各機能部を実現するとともに各種処理を実行する機能を有している。
制御部３０は、ベースバンドユニット２に接続されており、ベースバンドユニット２から各アンテナ素子９のチルト角を変更する制御命令や搬送波周波数を含む制御情報を受ける。
制御部３０は、ベースバンドユニット２から受けた制御情報に基づいて、分配器１４により分配された複数の無線周波数信号に乗算するウェイト行列を決定する機能を有している。そして、制御部３０は、決定されたウェイト行列の各成分を分配器１４により分配された複数の無線周波数信号に乗算するために、当該各成分に基づいて対応する可変減衰器１５および移相器１６を制御する機能を有している。
ベースバンドユニット２から与えられる無線周波数信号をｘ、アンテナ素子９から放射される送信信号をｙとすると、各信号ｘ，ｙとウェイト行列ｗとの関係は、下記式（１）のように表される。
ｙ＝ｗHｘ ・・・（１）
ここで、上付のＨは、複素共役転置を表す。
本実施形態のウェイト行列ｗは、離散コサイン変換（Discrete Cosine Transform；ＤＣＴ）行列Ｂに基づいて生成される。このＤＣＴ行列Ｂは、送信信号ｙの数をＮとすると、Ｎ行Ｎ列（Ｎ×Ｎ）の行例で表される。ＤＣＴ行列Ｂのｍ行ｎ列の成分Ｂｍｎは、下記式（２）及び式（３）のように表される。
ここで、式（２）はｎ＝１の場合、式（３）はｎ≠１の場合をそれぞれ示す。
ウェイト行列ｗは、無線周波数信号ｘの数をＭとすると、ＤＣＴ行列ＢのＮ個の行ベクトルのうちから選択して決定されたＭ個の行ベクトルにより構成されている。すなわち、ウェイト行列ｗは、Ｍ行Ｎ列（Ｍ×Ｎ）の行列で表される。式（１）を行列表現すると、下記式（４）のように表される。
本実施形態では、ベースバンドユニット２から与えられる無線周波数信号の数（Ｍ）は２つであり、アンテナ素子９から放射される送信信号の数（Ｎ）は６つであるため、式（４）は下記式（５）のように表される。
ここで、ｘ１は第１無線周波数信号、ｘ２は第２無線周波数信号を表している。
本実施形態のウェイト行列ｗにおいて、一方のウェイト行ベクトルｗ1（ｗ11・・・ｗ16）の各成分は、分配器１４ａにより分配された６つの第１無線周波数信号それぞれに乗算される。すなわち、制御部３０は、ウェイト行ベクトルｗ1（ｗ11・・・ｗ16）の各成分に基づいて、対応する可変減衰器１５ａおよび移相器１６ａを制御する。
例えば、制御部３０は、図３中、紙面上最も上側に分配された第１無線周波数信号には、ウェイト行ベクトルｗ1（ｗ11・・・ｗ16）の一の成分ｗ11を乗算するために、紙面上最も上側に位置する可変減衰器１５ａおよび移相器１６ａを成分ｗ11に基づいて制御する。
また、本実施形態のウェイト行列ｗにおいて、他方のウェイト行ベクトルｗ2（ｗ21・・・ｗ26）の各成分は、分配器１４ｂにより分配された６つの第２無線周波数信号それぞれに乗算される。すなわち、制御部３０は、ウェイト行ベクトルｗ2（ｗ21・・・ｗ26）の各成分に基づいて、対応する可変減衰器１５ｂおよび移相器１６ｂを制御する。
例えば、制御部３０は、図３中、紙面上最も下側に分配された第２無線周波数信号には、ウェイト行ベクトルｗ2（ｗ21・・・ｗ26）の一の成分ｗ26を乗算するために、紙面上最も下側に位置する可変減衰器１５ｂおよび移相器１６ｂを成分ｗ26に基づいて制御する。
ウェイト行列ｗのウェイト行ベクトルｗ1（ｗ11・・・ｗ16）とウェイト行ベクトルｗ2（ｗ21・・・ｗ26）とは互いに直交している。すなわち、制御部３０は、２つのウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2同士が互いに直交するように、複数の可変減衰器１５および複数の移相器１６を制御している。ここで、「直交している」とは、２つのウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2の相互相関の和が０になることを意味する。
なお、本実施形態のウェイト行列ｗは、ウェイト行ベクトルを無線周波数信号に乗算するように設定されているが、ウェイト列ベクトルを乗算するように設定されていても良い。
＜ウェイト行列の決定について＞
図３において、制御部３０は、ウェイト行列ｗの各ウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2の候補として複数のウェイト候補を選択する選択部３１と、選択されたウェイト候補のうちからウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2を決定する決定部３２とを有している。
選択部３１は、記憶部に予め記憶されている複数のウェイト候補（ここではウェイト行ベクトル）のうちから、ウェイト行列ｗのウェイト行ベクトルの数よりも多い数のウェイト候補を選択する機能を有している。その際、選択部３１は、ベースバンドユニット２から受けた制御情報に含まれる領域（セルＣ）へのビームのチルト角に基づいてウェイト候補を選択する。
本実施形態では、アンテナ素子９のチルト角が真上方向から真下方向までの１８０度の角度範囲に対応する、離散コサイン変換行列ＢのＮ個（６つ）の行ベクトルが、ウェイト候補として記憶部に予め記憶されている。選択部３１は、これら１６個のウェイト候補のうちから、領域（セルＣ）へのビームのチルト角に近い角度範囲に対応するウェイト候補に絞り込んで選択する。その際、選択部３１は、ウェイト行列ｗのウェイト行ベクトルの数（２個）よりも多い数となるように３個以上のウェイト候補を選択する。
なお、記憶部に記憶されている全てのウェイト候補は、互いに直交するように下記式（６）の関係を満たしている。
制御部３０の決定部３２は、選択部３１で選択された複数のウェイト候補のうちから、所望の通信品質を満たすウェイト候補を、ウェイト行列ｗの各ウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2として決定する機能を有している。
具体的には、決定部３２は、まず選択された複数のウェイト候補のうちから、任意の２個のウェイト候補を２つのウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2として実際に無線通信を行うことによって、その通信品質を判定する。
通信品質の判定は、選択された複数のウェイト候補のうち２個一組として組み合わせ可能な全ての組について繰り返し行われる。
そして、決定部３２は、最も所望の通信品質を満たす一組をウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2として決定する。
図４は、制御部３０が実行するウェイト行列ｗの決定手順を示すフローチャートである。
まず、制御部３０の選択部３１は、第１無線周波数信号および第２無線周波数信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2の候補として、離散コサイン変換行列ＢのＮ個の行ベクトルから、ウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2の数よりも多いｋ個のウェイト候補を、ビームのチルト角に基づいて選択する（ステップＳ１、選択ステップ）。
次に、制御部３０の決定部３２は、初期設定として、変数ｉ＝１に設定した後（ステップＳ２）、変数ｊ＝ｉ＋１に設定する（ステップＳ３）。そして、決定部３２は、選択されたウェイト候補のうちから２個一組のウェイト候補であるウェイト行ベクトルｗi，ｗjを仮のウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2としてセットする（ステップＳ４）。
次に、決定部３２は、ウェイト行ベクトルｗi，ｗjに基づいて、対応する可変減衰器１５および移相器１６を制御し、実際に無線通信を行って通信品質を判定する（ステップＳ５）。その後、決定部３２は、変数ｊ＝ｋであるか否かを判定する（ステップＳ６）。
ステップＳ６の判定結果が否定的である場合、決定部３２は、変数ｊ＝ｊ＋１に設定した後（ステップＳ７）、ステップＳ４に戻る。
一方、ステップＳ６の判定結果が肯定的である場合、決定部３２は、変数ｉ＝ｉ＋１に設定した後（ステップＳ８）、変数ｉ＝ｋであるか否かを判定する（ステップＳ９）。
ステップＳ９の判定結果が否定的である場合、決定部３２はステップＳ３に戻る。
一方、ステップＳ９の判定結果が肯定的である場合、すなわち、選択されたｋ個のウェイト候補のうち２個一組として組み合わせ可能な全ての組についての通信品質の判定が終了すると、決定部３２は、最も所望の通信品質を満たすウェイト候補の組を、ウェイト行列ｗのウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2として決定する（ステップＳ１０、決定ステップ）。
＜変形例について＞
本実施形態のウェイト行列ｗは、ＤＣＴ行列に基づいて生成されているが、離散フーリエ変換（Discrete Fourier Transform；ＤＦＴ）行列に基づいて生成されていても良い。この場合、ＤＦＴ行列Ｂ’のｍ行ｎ列の成分Ｂ’ｍｎは、下記式（７）のように表される。
ここで、ｊは虚数単位である。
このように、ウェイト行例ｗをＤＦＴ行列Ｂ’に基づいて生成した場合、制御部３０は利得調整を行う必要がないので、可変減衰器１５（図２参照）が不要になる。このため、ＤＣＴ行列Ｂに基づいてウェイト行例ｗを生成する場合に比べて、電力損失の低下を抑えることができる。
また、ウェイト行列ｗは、ＤＣＴ行列やＤＦＴ行列以外に、アダマール（Hadamard）変換行列に基づいて生成されていても良い。この場合、アダマール変換行列Ｈは、ＤＣＴ行列Ｂと同様に、Ｎ行Ｎ列（Ｎ×Ｎ）の行例であり、下記式（８）のように表される。
ここで、Ｈ２は「１」と「−１」を成分とする２行２列の行列であり、ｋは２以上の整数である。
このように、ウェイト行例ｗをアダマール変換行列Ｈに基づいて生成した場合、当該行列Ｈの成分は「１」と「−１」だけになるので位相調整等を容易に行うことができる。このため、複数の送信信号それぞれにウェイト行列ｗの対応する成分を乗算する機能の実装が簡単になる。
なお、ウェイト行列ｗは、ＤＣＴ行列、ＤＦＴ行列及びアダマール変換行列以外の他の行列に基づいて生成されていても良い。
＜アンテナ性能について＞
図５は、ウェイト行列をＤＦＴ行列に基づいて生成した場合におけるアンテナの垂直面指向性を示す図である。また、図６は、ウェイト行列をＤＣＴ行列に基づいて生成した場合におけるアンテナの垂直面指向性を示す図である。
なお、図５及び図６に示す両アンテナでは、４つの送信信号を送信した場合の垂直面指向性を示しており、各送信信号の垂直面指向性は、線種を、太実線、点線、細実線及び破線に分けて表示している。
図５に示すように、ウェイト行列をＤＦＴ行列に基づいて生成した場合におけるアンテナの垂直面指向性では、４つのメインビームのうち隣り合うビーム同士の図中の左右方向に重なり合う部分が小さい。このため、移動端末は、その受信位置によって特定の送信信号だけを強く受信することが分かる。
これに対して、図６に示すように、ウェイト行列をＤＣＴ行列に基づいて生成した場合におけるアンテナの垂直面指向性では、図５に示す垂直面指向性に比べて、４つのメインビームのうち隣り合うビーム同士の図中の左右方向に重なり合う部分が大きい。このため、移動端末は、一のアンテナから送信された４つの送信信号をバランス良く受信できるのが分かる。
＜効果について＞
以上、本実施形態の無線通信装置１によれば、ベースバンドユニット２で生成された同一の領域向けの複数の送信信号それぞれを、一のアンテナ６が有する複数のアンテナ素子９それぞれに対応して分配し、分配された複数の送信信号それぞれにウェイト行列を乗算して各アンテナ素子９に対応する送信信号同士を合成することになる。このため、同一の領域向けの複数の送信信号を、一のアンテナ６を共用して送信することができる。この結果、同一の領域向けの複数の送信信号を、その送信信号の数よりも少ない数のアンテナ６により送信することができる。
また、複数のデジタルアナログ変換器１１は、複数の分配器１４の前段に設けられることになる。このため、当該デジタルアナログ変換器１１を、同一の領域向けの複数の送信信号それぞれに対応して設ければよく、複数のアンテナ素子９ごとにデジタルアナログ変換器１１を設ける場合よりもデジタルアナログ変換器１１の数を減らすことができる。この結果、低コスト化が可能となる。
また、移相器１６は電力増幅器１８よりも前段に設けられるため、移相器１６には増幅前の送信信号が与えられる。増幅前の送信信号は、増幅後の送信信号と比較してより低い電力であるため、取り扱うことが可能な信号電力の値が比較的低い半導体移相器を用いた移相器１６を構成することができる。これにより、より小型で低コストな移相器１６を用いることが可能となり、より低コストとすることができるとともに小型化も可能となる。
また、ウェイト行列ｗにおいて、ベースバンドユニット２で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2同士が互いに直交しているため、同一の領域向けの複数の送信信号の相互相関を小さくすることができる。
また、ウェイト行列ｗは、ＤＣＴ行列Ｂに基づいて生成されるので、移動端末は一のアンテナ６から送信された複数の送信信号をバランス良く受信することができる。これにより、移動端末が複数の送信信号を受信したときに送信信号間の電力はばらつかないため、ＤＦＴ行列に基づいてウェイト行例ｗを生成する場合に比べてＭＩＭＯ通信の効果を発揮しやすくなる。
また、制御部３０の選択部３１において、ベースバンドユニット２で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2の候補となる多数のウェイト候補を、領域へのビームのチルト角に基づいて選択するため、これらのウェイト候補を容易かつ迅速に絞り込みことができる。また、離散コサイン変換行列Ｂの行ベクトルは、選択部３１が選択するウェイト候補とされているので、ＤＣＴ行列Ｂに基づいてウェイト行列ｗを容易に生成することができる。さらに、制御部３０の決定部３２において、多数のウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補をウェイト行ベクトルｗ1，ｗ2として決定するため、所望の通信品質を得ることができる。
＜第２実施形態について＞
図７は、本発明の第２実施形態に係る無線通信装置１が備えるアンテナシステム３の送信側の構成を示すブロック図である。
本実施形態におけるアンテナシステム３は、送信信号の分配、位相調整および合成等の信号処理をアナログ信号処理によって行うように構成されたパッシブアンテナシステムからなる。すなわち、本実施形態のアンテナシステム３は、電力増幅器１８がアンテナ６よりも前段側に設けられている点で、第１実施形態のアンテナシステム３と相違している。
図７において、本実施形態の電力増幅器１８は、アナログ信号処理部７のアップコンバータ１２（１２ａ，１２ｂ）と分配器１４（１４ａ，１４ｂ）との間に設けられている。
アップコンバータ１２（１２ａ、１２ｂ）は、第１送信ベースバンド信号を周波数変換することにより得た第１無線周波数信号、および第２送信ベースバンド信号を周波数変換することにより得た第２無線周波数信号を電力増幅器１８に与える。
電力増幅器１８は、一対のデジタルアナログ変換器１１それぞれに対応して一対設けられている。一方の電力増幅器１８ａには、アップコンバータ１２ａから第１無線周波数信号が与えられ、他方の電力増幅器１８ｂには、アップコンバータ１２ｂから第２無線周波数信号が与えられる。電力増幅器１８ａは、第１無線周波数信号を増幅して分配器１４ｂに与える。また、電力増幅器１８ｂは、第２無線周波数信号を増幅して分配器１４ｂに与える。
なお、電力増幅器１８は、アナログ信号処理部７に含まれているが、アナログ信号処理部７とアンテナ６との間、すなわち複数の合成器１７それぞれと対応する複数のアンテナ素子９との間に設けられていても良い。
本実施形態のアンテナ６は、複数のアンテナ素子９のみによって構成されている。各アンテナ素子９には、対応する合成器１７で合成された合成信号が与えられる。
各アンテナ素子９に与えられた合成信号は、各アンテナ素子９から空間に放射され、無線信号として送信される。
本実施形態のアンテナシステム３は、アナログ信号処理部７の分配器１４と合成器１７との間の構成が異なる点でも、第１実施形態のアンテナシステム３と相違している。
本実施形態のアナログ信号処理部７は、両分配器１４ａ、１４ｂによって分配された複数の無線周波数信号それぞれにウェイト行列ｗの対応する各成分を乗算するためにバトラーマトリックス回路２１を有している。このバトラーマトリックス回路２１により、ウェイト行列ｗはＤＦＴ行列とされている。
図８は、バトラーマトリックス回路２１の構成の一例を示すブロック図である。なお、図８では、４つの無線周波数信号について位相調整を行う一般的なバトラーマトリックス回路を例示している。
バトラーマトリックス回路２１は、４つの９０度ハイブリッド２２〜２５と、２つの−４５度移相器２６，２７とを備えている。
９０度ハイブリッド２２には一対の入力端子２８Ａ，２８Ｂが接続され、９０度ハイブリッド２３には一対の入力端子２８Ｃ，２８Ｄが接続されている。入力端子２８Ａ〜２８Ｄは、対応する分配器１４（図７参照）に接続されている。
また、９０度ハイブリッド２４には一対の出力端子２９Ｂ，２９Ｂが接続され、９０度ハイブリッド２５には一対の出力端子２９Ｃ，２９Ｄが接続されている。出力端子２９Ａ〜２９Ｄは、対応する合成器１７（図７参照）に接続されている。
９０度ハイブリッド２２の出力の一方は、−４５度移相器２６を介して９０度ハイブリッド２４に接続され、出力の他方は９０度ハイブリッド２５に接続されている。
９０度ハイブリッド２３の出力の一方は、−４５度移相器２７を介して９０度ハイブリッド２５に接続され、出力の他方は９０度ハイブリッド２４に接続されている。
以上の構成により、各入力端子２８Ａ〜２８Ｄに入力された無線周波数信号は、互いに異なる位相に調整されて出力端子２９Ａ〜２９Ｄから出力される。
本実施形態のその他の点については、第１実施形態と同様である。
なお、本実施形態のウェイト行列ｗは、ＤＦＴ行列以外に、ＤＣＴ行列やアダマール変換行列等に基づいて生成されていても良い。
以上、本実施形態の無線通信装置１によれば、複数のデジタルアナログ変換器１１は、複数の分配器１４よりも前段側に設けられることになる。このため、当該デジタルアナログ変換器１１を、同一の領域向けの複数の送信信号それぞれに対応して設ければよく、複数のアンテナ素子９ごとにデジタルアナログ変換器１１を設ける場合よりもデジタルアナログ変換器１１の数を減らすことができる。この結果、低コスト化が可能となる。
＜第３実施形態について＞
図９は、本発明の第３実施形態に係る無線通信装置１が備えるアンテナシステム３の送信側の構成を示すブロック図である。
本実施形態におけるアンテナシステム３は、送信信号の分配、位相調整および合成等の信号処理をデジタル信号処理によって行うように構成されたアクティブアンテナシステムからなる。
図９において、本実施形態のデジタル信号処理部１０は、ベースバンドユニット２から与えられる複数の送信信号それぞれを複数のアンテナ素子９それぞれに対応して分配し、分配された複数の送信信号それぞれにウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子９に対応する送信信号同士を合成する信号処理部として機能する。
具体的には、デジタル信号処理部１０は、ベースバンドユニット２から与えられる第１送信ベースバンド信号および第２送信ベースバンド信号を、それぞれ６つのアンテナ素子９に対応して６つに分配する。
デジタル信号処理部１０は、分配した第１送信ベースバンド信号それぞれに対して利得調整および位相調整を行うとともに、分配した第２送信ベースバンド信号それぞれに対して利得調整および位相調整を行う。
さらに、デジタル信号処理部１０は、利得調整と位相調整を行った第１送信ベースバンド信号および第２送信ベースバンド信号のうち、互いに同一のアンテナ素子９に対応して分配された送信ベースバンド信号同士を合成し、これらの合成信号をアナログ信号処理部７に与える。
本実施形態のアナログ信号処理部７は、複数のデジタルアナログ変換器１１と、複数のアップコンバータ１２とを備えている。
デジタルアナログ変換器１１は、６つのアンテナ素子９それぞれに対応して６つ設けられている。各デジタルアナログ変換器１１は、対応するデジタル信号の合成信号をアナログ信号に変換する機能を有している。各デジタルアナログ変換器１１は、アナログ信号に変換した合成信号をアップコンバータ１２に与える。
アップコンバータ１２は、６つのアンテナ素子９それぞれに対応して６つ設けられている。各アップコンバータ１２は、発振器１３が生成する無線周波数のローカル信号を対応する合成信号に乗算することで合成信号を無線周波数の信号（第１無線周波数信号）に変換（アップコンバート）する機能を有している。
各アップコンバータ１２は、対応する合成信号を周波数変換することにより得た無線周波数信号をアンテナ６の対応する電力増幅器１８に与える。
アンテナ６の電力増幅器１８は、６つのアンテナ素子９それぞれに対応して６つ設けられている。各電力増幅器１８は、無線周波数信号を増幅して対応するアンテナ素子９に与える。各アンテナ素子９に与えられた無線周波数信号は、各アンテナ素子９から空間に放射され、無線信号として送信される。
図１０は、本実施形態の無線通信装置１の制御構成を示すブロック図である。
本実施形態の制御部３０は、ベースバンドユニット２から受けた制御情報に基づいて、デジタル信号処理部１０において分配された複数の送信ベースバンド信号に乗算するウェイト行列を決定する機能を有している。そして、制御部３０は、決定されたウェイト行列の各成分に基づいて、対応する送信ベースバンド信号の利得調整および移相調整を行うようにデジタル信号処理部１０を制御する機能を有している。その他の点については、第１実施形態と同様である。
なお、本実施形態のウェイト行列ｗは、ＤＣＴ行列以外に、ＤＦＴ行列やアダマール変換行列等に基づいて生成されていても良い。
以上、本実施形態の無線通信装置１によれば、ベースバンドユニット２で生成された送信信号の分配から合成までの信号処理をデジタル信号処理によって行うことができるため、当該信号処理をアナログ信号処理によって行う場合と比較して高度な通信制御を行うことができる。
＜第４実施形態について＞
図１１は、本発明の第４実施形態に係る無線通信装置１が備えるアンテナシステム３の送信側の構成を示すブロック図である。
本実施形態におけるアンテナシステム３は、第３実施形態のアンテナシステム３の変形例であり、送信信号の分配、位相調整および合成等の信号処理をデジタル信号処理によって行うように構成されたパッシブアンテナシステムからなる。
すなわち、本実施形態のアンテナシステム３は、電力増幅器１８がアンテナ６よりも前段側であるアナログ信号処理部７に含まれている点で、第３実施形態のアンテナシステム３と相違している。したがって、本実施形態のアンテナ６は、複数のアンテナ素子９のみによって構成されている。その他の点については、第３実施形態と同様である。
なお、本実施形態のアナログ信号処理部７は、デジタルアナログ変換器１１とアップコンバータ１２と電力増幅器１８とにより構成されているが、少なくともデジタルアナログ変換器１１とアップコンバータ１２とを含んでいれば良い。また、本実施形態のウェイト行列ｗは、ＤＣＴ行列以外に、ＤＦＴ行列やアダマール変換行列等に基づいて生成されていても良い。
以上、本実施形態の無線通信装置１においても、ベースバンドユニット２で生成された送信信号の分配から合成までの信号処理をデジタル信号処理によって行うことができるため、当該信号処理をアナログ信号処理によって行う場合と比較して高度な通信制御を行うことができる。
＜その他＞
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 無線通信装置
２ ベースバンドユニット（ベースバンド部）
３ アンテナシステム
４ 信号伝送路
５ 支柱
６ アンテナ
７ アナログ信号処理部
９ アンテナ素子
１０ デジタル信号処理部
１１ デジタルアナログ変換器
１１ａ デジタルアナログ変換器
１１ｂ デジタルアナログ変換器
１２ アップコンバータ
１２ａ アップコンバータ
１２ｂ アップコンバータ
１３ 発振器
１４ 分配器
１４ａ 分配器
１４ｂ 分配器
１５ 可変減衰器
１５ａ 第１可変減衰器
１５ｂ 第２可変減衰器
１６ 移相器
１６ａ 第１移相器
１６ｂ 第２移相器
１７ 合成器
１８ 電力増幅器
２１ バトラーマトリックス回路
２２ ９０度ハイブリッド
２３ ９０度ハイブリッド
２４ ９０度ハイブリッド
２５ ９０度ハイブリッド
２６ −４５度移相器
２７ −４５度移相器
２８Ａ 入力端子
２８Ｂ 入力端子
２８Ｃ 入力端子
２８Ｄ 入力端子
２９Ａ 出力端子
２９Ｂ 出力端子
２９Ｃ 出力端子
２９Ｄ 出力端子
３０ 制御部
３１ 選択部
３２ 決定部
Ｃ セル（領域）

Claims (9)

  1. 同一の領域向けの複数の送信信号を生成するベースバンド部と、
    複数のアンテナ素子を有するアンテナと、
    前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数の送信信号それぞれにウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成する信号処理部と、
    前記ウェイト行列における、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの候補として、前記アンテナ素子のチルト角に対応する複数のウェイト候補から、前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの数よりも多い数のウェイト候補を、前記アンテナ素子から前記領域へのビームのチルト角に基づいて選択する選択部と、
    前記選択部で選択されたウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補を前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルとして決定する決定部と、
    を備えている無線通信装置。
  2. 前記信号処理部は、
    前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれをアナログの送信信号に変換する複数のデジタルアナログ変換器と、
    変換された送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配する複数の分配器と、
    分配された送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分に基づいて位相調整を行う複数の移相器と、
    位相調整された送信信号のうち、各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成する複数の合成器と、を有し、
    前記アンテナは、前記合成器で合成された送信信号それぞれを増幅して対応する前記アンテナ素子に与える複数の増幅器をさらに有する請求項１に記載の無線通信装置。
  3. 前記信号処理部は、
    前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれをアナログの送信信号に変換する複数のデジタルアナログ変換器と、
    変換された送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配する複数の分配器と、
    分配された送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分に基づいて位相調整を行う複数の移相器と、
    位相調整された送信信号のうち、各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成する複数の合成器と、を有し、
    前記アンテナよりも前段側に設けられ、複数の送信信号それぞれを増幅する複数の増幅器をさらに備えている請求項１に記載の無線通信装置。
  4. 前記信号処理部は、前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数のデジタルの送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成するデジタル信号処理部であり、
    前記アンテナは、前記デジタル信号処理部で合成された送信信号それぞれを増幅して対応する前記アンテナ素子に与える複数の増幅器をさらに有する請求項１に記載の無線通信装置。
  5. 前記信号処理部は、前記ベースバンド部で生成された複数のデジタルの送信信号それぞれを前記複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配された複数のデジタルの送信信号それぞれに前記ウェイト行列の対応する成分を乗算した後に各アンテナ素子に対応する送信信号同士を合成するデジタル信号処理部であり、
    前記アンテナよりも前段側に設けられ、複数の送信信号それぞれを増幅する複数の増幅器をさらに備えている請求項１に記載の無線通信装置。
  6. 前記ウェイト行列において、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトル同士またはウェイト列ベクトル同士が互いに直交している請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の無線通信装置。
  7. 前記ウェイト行列は、離散コサイン変換行列に基づいて生成されるものである請求項６に記載の無線通信装置。
  8. 前記離散コサイン変換行列の行ベクトルまたは列ベクトルは、前記選択部が選択する前記ウェイト候補とされている請求項７に記載の無線通信装置。
  9. 無線通信装置のベースバンド部で生成された同一の領域向けの複数の送信信号それぞれを、前記無線通信装置の複数のアンテナ素子それぞれに対応して分配し、分配した複数の送信信号に乗算するウェイト行列を前記無線通信装置で決定するウェイト行列の決定方法であって、
    前記ウェイト行列における、前記ベースバンド部で生成された複数の送信信号それぞれに対応するウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの候補として、前記アンテナ素子のチルト角に対応する複数のウェイト候補から、前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルの数よりも多い数のウェイト候補を、前記アンテナ素子から前記領域へのビームのチルト角に基づいて選択する選択ステップと、
    前記選択ステップで選択されたウェイト候補のうちから所望の通信品質を満たすウェイト候補を前記ウェイト行ベクトルまたはウェイト列ベクトルとして決定する決定ステップと、を含むウェイト行列の決定方法。
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