JP6582507B2 - 無線通信装置及びビーム制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置及びビーム制御方法に関する。

一般に、複数のアンテナ素子が配列されたアレイアンテナを利用する指向性ビーム制御には、フェーズドアレイを用いるアナログ方式と、デジタル信号処理で各アンテナ素子に重み付けをするデジタル方式とが知られている。アナログ方式では、複数のアンテナ素子に対して１系統の無線回路やＤＡ（Digital Analogue）／ＡＤ（Analogue Digital）コンバータを備えれば良いため、消費電力が比較的小さくて済む。ただし、アナログ方式では、指向性ビーム（以下、単に「ビーム」という）が１方向に形成されるため、複数のユーザへ同時にビームを向けることが困難である。これに対して、デジタル方式では、複数のユーザへ同時にビームを向けることが容易である一方、アンテナ素子と同数の無線回路やＤＡ／ＡＤコンバータが備えられることとなり、消費電力が増大する。

そこで、近年では、アナログ方式とデジタル方式を組み合わせてビーム制御を行うハイブリッド方式が提案されている。ハイブリッド方式によれば、デジタル方式よりも消費電力を低減しつつ、複数のユーザに対して同時にビームを向けることができる。すなわち、ハイブリッド方式では、複数の系統の無線回路やＤＡ／ＡＤコンバータが備えられるとともに、それぞれの系統の無線回路やＤＡ／ＡＤコンバータが複数のアンテナ素子と接続される。このため、無線回路やＤＡ／ＡＤコンバータの系統数がアンテナ素子の数よりも少なくなり、デジタル方式と比較して消費電力を低減することができる。また、無線回路やＤＡ／ＡＤコンバータの系統数のデータストリームを同時に処理することができるため、無線回路やＤＡ／ＡＤコンバータの系統数のユーザに対して同時にビームを向けることができる。

特表２０１４−５２７７４９号公報

Xiaojing Huang et al., "A Hybrid Adaptive Antenna Array", IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, Vol.9, No.5, pp.1770-1779 ２０１０年５月

しかしながら、ハイブリッド方式によるビーム制御では、複数のユーザに対して同じ電力強度のビームを向けることが困難であるという問題がある。すなわち、ハイブリッド方式は、アナログ方式とデジタル方式を組み合わせた方式であるため、アナログ方式と同様に、アンテナ素子間の位相差に応じて各アンテナ素子に重み付けが行われる。この重み付けによって形成されるビームがデジタル信号処理によって調整されることにより、複数のユーザへ同時にビームを向けることができる。このとき、デジタル信号処理によるビームの調整には一定の限界があるため、デジタル信号処理によって得られるビームは、アンテナ素子の重み付けによって形成されるビームと比較して劣化する。

このように、ハイブリッド方式によるビーム制御においては、アナログ方式によって形成されるビームが支配的となるため、デジタル方式によって形成されるビームの電力がアナログ方式によって形成されるビームの電力よりも小さくなることがある。結果として、ユーザの位置によっては、十分な電力強度のビームを向けることが困難であり、このユーザの通信品質が劣化してしまうことがある。

開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、複数のユーザに対して同時に十分な電力強度のビームを向けることができる無線通信装置及びビーム制御方法を提供することを目的とする。

本願が開示する無線通信装置は、１つの態様において、それぞれ送信信号又は受信信号に対して所定のアナログ処理を施す複数のアナログ処理部と、前記複数のアナログ処理部に接続される複数のアンテナ素子と、複数のユーザから送信された信号の到来方向を推定する推定部と、前記推定部によって推定された到来方向を示す角度の三角関数による写像を算出する算出部と、前記算出部によって算出された写像に基づいて、前記複数のユーザをグループ分けするグループ分け部と、前記グループ分け部によるグループ分けの結果得られるグループごとに、グループに属するユーザの方向へ指向性ビームを形成するための重み係数を決定する決定部とを有し、前記グループ分け部は、前記算出部が用いる三角関数の写像空間において、前記複数のアンテナ素子によって指向性ビームを形成可能な範囲を前記アナログ処理部の数又は前記アンテナ素子の数で等分した間隔の整数倍だけ互いに離れたユーザを同一のグループとするグループ分けをする。

本願が開示する無線通信装置及びビーム制御方法の１つの態様によれば、複数のユーザに対して同時に十分な電力強度のビームを向けることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。 図２は、実施の形態１に係る接続スイッチによる接続を示す図である。 図３は、実施の形態１に係るプロセッサの機能を示すブロック図である。 図４は、実施の形態１に係るグループ分けを説明する図である。 図５は、実施の形態１に係るビーム形成処理を示すフロー図である。 図６は、重み係数算出処理の具体例を示すフロー図である。 図７は、重み係数算出処理の他の具体例を示すフロー図である。 図８は、実施の形態２に係る接続スイッチによる接続を示す図である。 図９は、実施の形態２に係るグループ分けを説明する図である。 図１０は、実施の形態３に係るプロセッサの機能を示すブロック図である。

以下、本願が開示する無線通信装置及びビーム制御方法の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る無線通信装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示す無線通信装置１００は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎ（Ｎは２以上の整数）、フェーズシフタ１２０、接続スイッチ１３０、アナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍ（Ｍは２以上Ｎ未満の整数）、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍ及びプロセッサ１６０を有する。

アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎは、直線上に一列に並べて配列され、アンテナアレイを形成する。各アンテナ素子間の間隔ｄは、例えば送受信される電波の波長λの２分の１に設定される。

フェーズシフタ１２０は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎを重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNによって重み付けし、ビームを形成する。このとき、フェーズシフタ１２０は、プロセッサ１６０から通知される重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNを用いてビームを形成する。アンテナ素子１１０−１〜１１０Ｎの配列方向に対して垂直な方向とのなす角度がθの方向を向くビームを形成する場合、重み係数ｗ_an（ｎは１〜Ｎの整数）は、例えば以下の式（１）によって表すことができる。

ただし、上式（１）において、ｅは自然対数の底、ｊは虚数単位、ｄはアンテナ素子間の間隔、λは電波の波長をそれぞれ示している。このような重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNによってアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎを重み付けすることにより、各アンテナ素子においてθの方向へ放射する又はθの方向から入射する電波の位相が揃うため、θの方向にビームが形成される。

接続スイッチ１３０は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎとアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍを接続する。具体的には、接続スイッチ１３０は、図２に示すように、例えばアナログ処理部１４０−１とアンテナ素子１１０−１からＭ本間隔のアンテナ素子とを接続し、アナログ処理部１４０−Ｍとアンテナ素子１１０−ＭからＭ本間隔のアンテナ素子とを接続する。すなわち、一般化すると、接続スイッチ１３０は、アナログ処理部１４０−ｉ（ｉは１〜Ｍの整数）とアンテナ素子１１０−（ｉ＋ａＭ）（ａは０以上の整数）とを接続する。

図１に戻って、アナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍは、送信信号及び受信信号に対して所定のアナログ処理を施す。具体的には、アナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍは、例えば送信信号をアップコンバートして増幅したり、受信信号をダウンコンバートしたりする。

ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍは、送信信号及び受信信号についてＤＡ変換又はＡＤ変換を実行する。すなわち、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍは、プロセッサ１６０から出力される送信信号をＤＡ変換し、得られたアナログ信号をアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍへ出力する。また、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍは、アナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍから出力される受信信号をＡＤ変換し、得られたデジタル信号をプロセッサ１６０へ出力する。

プロセッサ１６０は、ユーザからの受信信号の到来方向を推定することにより、各ユーザの位置を推定し、それぞれのユーザに対してビームを向けるための重み係数を算出する。このとき、プロセッサ１６０は、ユーザの位置を示す角度の三角関数による写像を算出し、算出された写像によってユーザをグループ分けする。そして、プロセッサ１６０は、グループごとにビームを形成するための重み係数を決定する。

具体的には、プロセッサ１６０は、図３に示すように、到来方向推定部１６１、写像算出部１６２、グループ生成部１６３、アナログ重み係数算出部１６４、デジタル重み係数算出部１６５、重み付け処理部１６６及び信号処理部１６７を有する。

到来方向推定部１６１は、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍから出力される複数のユーザからの受信信号を取得し、それぞれの受信信号の到来方向を推定する。このとき、到来方向推定部１６１は、アナログ重み係数算出部１６４によって算出された重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNを考慮して、各受信信号の到来方向を推定する。すなわち、到来方向推定部１６１は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎに設定された重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNをアナログ重み係数算出部１６４から取得し、この重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNで受信された受信信号の到来方向を推定する。

到来方向推定部１６１は、受信信号の到来方向を表す角度として、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎの配列方向に対して垂直な方向と受信方向の到来方向とがなす角度を求める。すなわち、到来方向推定部１６１は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎが並ぶ配列方向に対して垂直な方向を０度として、この方向からの角度を受信信号の到来方向として算出する。

写像算出部１６２は、到来方向推定部１６１によって推定された受信信号の到来方向それぞれの三角関数による写像を算出する。具体的には、写像算出部１６２は、それぞれの到来方向を示す角度の正弦（ｓｉｎ）を算出する。したがって、写像算出部１６２は、各ユーザの位置を示す角度の正弦をそれぞれのユーザに関する写像として算出する。なお、受信信号の到来方向としては、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎが並ぶ配列方向を０度とした角度が算出されても良く、この場合には、写像算出部１６２は、各ユーザの位置を示す角度の余弦（ｃｏｓ）を算出しても良い。

グループ生成部１６３は、写像算出部１６２によって算出された写像に基づいて、複数のユーザをグループ分けする。具体的には、グループ生成部１６３は、１ユーザを基準ユーザに設定し、基準ユーザに関する写像との差分が所定の条件を満たす写像に対応するユーザを基準ユーザと同一グループに所属させる。そして、グループ生成部１６３は、順次基準ユーザを設定し、すべてのユーザがいずれかのグループに所属するまで、基準ユーザと各ユーザに関する写像が所定の条件を満たすか否かの判定を繰り返す。

ここで、基準ユーザと同一グループに所属するユーザの写像が満たすべき条件について、図４を参照しながら説明する。図４は、無線通信装置１００が位置する点ＯとユーザＡ及びユーザＢの位置とを模式的に示す図である。図４においては、点Ｏに位置する無線通信装置１００のアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎが左右方向に一列に並んで配列されているものとする。このとき、これらのアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎによってビームを形成することが可能な範囲は、図４中の角度Θであるものとする。したがって、この範囲で形成されるビームの方向の正弦による写像は、−ｓｉｎΘ／２からｓｉｎΘ／２までの範囲に含まれる。

いま、受信信号の到来方向推定により、ユーザＡの位置を示す角度がαと算出されたものとする。このとき、ユーザＡに関する正弦による写像は、ｓｉｎαとなる。すなわち、図４における点Ａは、点Ｏからｓｉｎαだけ離れている。このようなユーザＡを基準ユーザとした場合、ユーザＡと同じグループに所属するユーザＢに関する写像は、以下の式（２）を満たす。

ただし、上式（２）において、βはユーザＢの位置を示す角度を示し、Δｘは許容範囲内の誤差を示す。また、ｍは絶対値がＭ以下の整数である。式（２）からわかるように、基準ユーザＡに関する写像ｓｉｎαとユーザＢに関する写像ｓｉｎβとの間の間隔は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎによってビームを形成することが可能な範囲の写像をＭ等分した間隔の整数倍に誤差Δｘを加えた間隔である。

ここで、Ｍは、無線通信装置１００が有するアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍ及びＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍの数であり、同時に送受信可能な信号の数に相当する。したがって、上式（２）は、正弦による写像空間において、ビームを形成することが可能な範囲を、同時に送受信可能な信号数で等分した間隔の倍数だけ基準ユーザから離れたユーザを基準ユーザと同じグループに所属させることを意味している。

このようなグループ分けをすることにより、各グループ内のユーザに対して同時にビームを向ける場合には、ビームの電力強度がほぼ等しくなる。以下、その理由について説明する。

上式（２）において、ユーザＡの方向へビームを向ける場合のアンテナ素子１１０−ｎの重み係数ｗ_Aanは、上式（１）より以下の式（３）と表すことができる。

これに対して、ユーザＡと同じグループに所属するユーザＢの方向へビームを向ける場合のアンテナ素子１１０−ｎの重み係数ｗ_Banは、以下の式（４）となる。

また、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎの間隔ｄと、波長λと、ビームを形成することが可能な範囲Θの間には、以下の式（５）の関係がある。

式（４）に式（２）、（５）を代入して整理すると、以下の式（６）が得られる。

ただし、式（６）を得る過程において、式（２）の誤差Δｘは無視している。このように、上記のグループ分けをすることにより、各ユーザに対してビームを向ける場合の各アンテナ素子の重み係数は、基準ユーザに対してビームを向ける場合の各アンテナ素子の重み係数を用いて表すことができる。

さらに、式（６）において、位相に関連するｊ２π（ｎ−１）ｍ／Ｍの部分に着目すると、アンテナ素子１１０−ｎの重み係数ｗ_Banとアンテナ素子１１０−（ｎ＋ａＭ）（ａは０以上の整数）の重み係数ｗ_Ba(n+M)とでは、上記の位相に関連する部分の差が２πの倍数となる。すなわち、アンテナ素子Ｍ本間隔で位相が等しくなり、接続スイッチ１３０によって同一のアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍに接続されるアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎにおいては、重み係数の位相が共通することがわかる。

このように、上記のグループ分けをすることにより、それぞれのアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍによって処理される信号については共通の位相の重み係数で重み付けすることが可能となる。

以上から、グループ生成部１６３は、基準ユーザを設定し、各ユーザの位置を示す角度の正弦による写像空間において、ビームを形成することが可能な範囲をＭ等分した間隔の倍数だけ基準ユーザから離れたユーザを基準ユーザと同じグループに所属させる。このとき、グループ生成部１６３は、誤差Δｘを許容して、条件に該当するユーザを基準ユーザと同じグループに所属させる。許容される最大誤差Δｘ_maxは、例えば以下の式（７）によって表される。

ただし、Ｃは１未満の定数であり、好ましくは１／２以下の定数である。

アナログ重み係数算出部１６４は、グループ生成部１６３によって生成されたユーザの各グループについて、フェーズシフタ１２０によって用いられる重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNを算出する。具体的には、アナログ重み係数算出部１６４は、各グループの基準ユーザの方向を向くビームを形成するための重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNを算出する。換言すれば、アナログ重み係数算出部１６４は、式（６）における基準ユーザＡの重み係数ｗ_Aanを算出する。また、アナログ重み係数算出部１６４は、グループ分けにおける誤差Δｘを考慮して、グループ内の各ユーザの誤差Δｘの平均値分だけ基準ユーザの方向からずれた方向を向くビームを形成するための重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNを算出しても良い。そして、アナログ重み係数算出部１６４は、算出した重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNをフェーズシフタ１２０へ通知するとともに、到来方向推定部１６１へも通知する。

デジタル重み係数算出部１６５は、グループ生成部１６３によって生成されたユーザの各グループについて、ユーザごとのデジタル信号の重み付けに用いられる重み係数を算出する。具体的には、デジタル重み係数算出部１６５は、ユーザごとの基準ユーザとの方向の違いに対応する重み係数を算出する。換言すれば、デジタル重み係数算出部１６５は、式（６）におけるｅのべき乗部分に対応する重み係数をユーザごとに算出する。

式（６）においては、ユーザの位置を示す角度に応じて整数ｍの値が異なるため、ユーザごとに異なる重み係数が算出される。また、式（６）においては、ｎがアンテナ素子のインデックスとなっているが、上述したように、アンテナ素子１１０−ｎとアンテナ素子１１０−（ｎ＋Ｍ）とでは、重み係数の位相が等しい。このため、同一のアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍに接続されるＭ本間隔のアンテナ素子に関しては、重み係数の位相を共通化することができ、Ｎ本のアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎに対してＭ通りの重み係数が算出される。

重み付け処理部１６６は、デジタル重み係数算出部１６５によって算出された重み係数を用いて、各グループのユーザごとの信号を重み付けする。すなわち、重み付け処理部１６６は、それぞれのユーザについて算出されたＭ通りの重み係数を、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍへ入力される信号又はＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍから出力される信号に乗算する。

信号処理部１６７は、各ユーザ宛てのデータを符号化及び変調して送信信号を生成したり、各ユーザから受信した受信信号を復調及び復号したりする。このとき、信号処理部１６７は、グループ生成部１６３によるグループ分けに従って、例えばグループごとのユーザ宛ての送信信号をまとめて生成しても良い。また、信号処理部１６７は、グループ生成部１６３によるグループ分けに従って、例えばグループごとのユーザが無線通信装置１００宛てに同時に信号を送信するようにスケジューリングをし、各ユーザにスケジューリングの結果を通知する制御信号を生成しても良い。

次いで、上記のように構成された無線通信装置１００によるビーム形成処理について、図５に示すフロー図を参照しながら説明する。

無線通信装置１００は、通信相手となる複数のユーザから送信された信号を受信すると、全ユーザからの受信信号の到来方向を推定する（ステップＳ１０１）。具体的には、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎによって受信された受信信号がアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍによってダウンコンバートされ、ＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−ＭによってＡＤ変換される。そして、得られたデジタルの受信信号は、プロセッサ１６０の到来方向推定部１６１へ入力され、到来方向推定部１６１によって、フェーズシフタ１２０に設定された重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNを考慮した各受信信号の到来方向が推定される。このとき、到来方向としては、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎの配列方向に対して垂直な方向を０度とした角度が推定される。このようにして推定された角度は、各ユーザの位置を示す角度である。

そして、各ユーザの位置を示す角度の正弦による写像が写像算出部１６２によって算出される（ステップＳ１０２）。算出された全ユーザに関する写像は、グループ生成部１６３へ出力される。そして、グループ生成部１６３によって、ユーザのグループ分けが実行される。このグループ分けは、同時に送受信するユーザを同一のグループに所属させるグループ分けである。

具体的には、グループ生成部１６３によって、まだ所属するグループが決定していないいずれかのユーザが基準ユーザに設定される（ステップＳ１０３）。続いて、まだ所属するグループが決定していない他のユーザが選択され（ステップＳ１０４）、選択されたユーザに関する写像と基準ユーザに関する写像との差分が算出される。差分が算出されると、この差分が条件を満たすか否かが判定され（ステップＳ１０５）、条件を満たす場合には（ステップＳ１０５Ｙｅｓ）、選択されたユーザは、基準ユーザと同一グループに所属すると判定される（ステップＳ１０６）。

ここで、基準ユーザと選択されたユーザとが同一グループに所属するか否かの判定に用いられる条件とは、以下のようなものである。すなわち、正弦による写像空間において、基準ユーザ及び選択されたユーザの写像の差分が、ビームを形成することが可能な範囲をアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍの数Ｍで等分した間隔の倍数にほぼ等しい場合に、基準ユーザと選択されたユーザとが同一グループに所属する。換言すれば、基準ユーザに関する写像をｓｉｎαとし、選択されたユーザに関する写像をｓｉｎβとした場合に、ｓｉｎβが上式（２）を満たす場合に、基準ユーザと選択されたユーザとが同一グループに所属する。

このようにして、選択されたユーザが基準ユーザと同一グループに所属するか否かが判定された後、所属グループが未決定のすべてのユーザが既に選択されたか否かが判定される（ステップＳ１０７）。この判定の結果、まだ選択されていないユーザがある場合には（ステップＳ１０７Ｎｏ）、これらのユーザのうちのいずれかのユーザが選択され（ステップＳ１０４）、上記と同様に基準ユーザと同一グループに所属するか否かの判定が行われる。

そして、すべてのユーザが選択済みとなると（ステップＳ１０７Ｙｅｓ）、すべてのユーザがいずれかの基準ユーザと同一グループに所属し、全ユーザのグループ分けが完了したか否かが判定される（ステップＳ１０８）。この判定の結果、いずれのグループにも所属していないユーザがある場合には（ステップＳ１０８Ｎｏ）、これらのユーザのうちのいずれかのユーザが基準ユーザに設定され（ステップＳ１０３）、上記と同様に各ユーザが基準ユーザと同一グループに所属するか否かの判定が行われる。

このようなグループ分けがグループ生成部１６３によって実行され、全ユーザのグループ分けが完了すると（ステップＳ１０８Ｙｅｓ）、アナログ重み係数算出部１６４及びデジタル重み係数算出部１６５によって、各グループについての重み係数が算出される（ステップＳ１０９）。そして、アナログ重み係数算出部１６４によって算出されたグループごとの重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNは、フェーズシフタ１２０へ出力され、それぞれのアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎに設定される。また、デジタル重み係数算出部１６５によって算出されたグループごとの重み係数は、重み付け処理部１６６へ出力され、各グループのユーザごとにＭ個の重み係数が設定される（ステップＳ１１０）。

以後、グループごとに信号の送受信が行われ、それぞれのグループの信号の送受信が行われる際には、該当するグループの重み係数がフェーズシフタ１２０及び重み付け処理部１６６に設定される。これにより、各ユーザの方向に向くビームの電力強度がほぼ等しくなり、複数のユーザに対して同時に十分な電力強度のビームを向けることができる。

次に、各グループに関する重み係数算出処理の具体例について図６及び図７を参照しながら説明する。図６及び図７は、それぞれ異なる重み係数算出処理の具体例を示すフロー図である。

１つ目の具体例では、図６に示すように、グループ内の各ユーザに関する写像について、基準ユーザに関する写像を基準とした誤差の平均が算出される（ステップＳ２０１）。すなわち、各ユーザに関する写像は、基準ユーザに関する写像から、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎによってビームを形成することが可能な範囲の写像をＭ等分した間隔と許容される誤差との合計分だけ離れている。そこで、アナログ重み係数算出部１６４によって、この誤差の平均が算出され、基準ユーザに関する写像と誤差の平均との合計に対応する方向にビームを向けるための重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNが算出される（ステップＳ２０２）。換言すれば、グループごとに以下の式（８）によって、上式（２）の誤差Δｘの平均ｙが算出される。

ただし、式（８）において、Ｋはグループ内のユーザ数を示す。そして、アナログ重み係数算出部１６４によって、以下の式（９）によって、各グループの重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNが算出される。

ただし、上式（９）において、ｅは自然対数の底、ｊは虚数単位、ｄはアンテナ素子間の間隔、λは電波の波長、ｓｉｎαは基準ユーザに関する写像をそれぞれ示している。式（９）によって算出される重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNは、基準ユーザの方向から誤差の平均分だけずれた方向へビームを向けるための重み係数である。

アナログの重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNが算出されると、デジタル重み係数算出部１６５によって、各ユーザに対応する重み係数が算出される（ステップＳ２０３）。デジタルの重み係数は、基準ユーザに関する写像と各ユーザに関する写像との差分に対応し、１ユーザにつきＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍに対応するＭ個の重み係数が算出される。すなわち、各ユーザの重み係数Ｗ_Lは、以下の式（１０）によって表すことができる。

ただし、上式（１０）において、ｗ_LはＤＡ／ＡＤ変換部１５０−Ｌに対応する重み係数を示し、ｍ_kはユーザｋに関する写像と基準ユーザに関する写像との差分に対応する値を示す。すなわち、正弦による写像空間において、ユーザｋに関する写像は、ビームを形成することが可能な範囲の写像をＭ等分した間隔のｍ_k倍だけ基準ユーザに関する写像から離れている。

このように、基準ユーザの方向からグループ内の誤差の平均だけずれた方向に向くビームを形成する重み係数をアナログの重み係数として算出し、各ユーザの基準ユーザとの差分に相当する重み係数をデジタルの重み係数として算出することができる。

一方、２つ目の具体例では、図７に示すように、所定の評価関数が設定され、アナログ重み係数算出部１６４によって、評価関数を最大にする方向にビームを向けるための重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNが算出される（ステップＳ３０１）。具体的には、例えば各ユーザのＳＩＲ（Signal to Interference Ratio）などの受信品質の合計が評価関数に設定され、この評価関数を最大にする方向にビームを形成する重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNが算出される。ユーザごとのＳＩＲは、例えばユーザごとのパスロス、送信信号及び受信信号の周波数特性及び雑音電力などから算出することが可能である。また、評価関数としては、ＳＩＲに基づくチャネル容量などを用いることも可能である。

アナログの重み係数ｗ_a1〜ｗ_aNが算出されると、１つ目の具体例と同様に、デジタル重み係数算出部１６５によって、各ユーザに対応する重み係数が算出される（ステップＳ３０２）。デジタルの重み係数は、基準ユーザに関する写像と各ユーザに関する写像との差分に対応し、１ユーザにつきＤＡ／ＡＤ変換部１５０−１〜１５０−Ｍに対応するＭ個の重み係数が算出される。

以上のように、本実施の形態によれば、受信信号の到来方向推定によって各ユーザの位置を示す角度を求め、この角度の正弦による写像を算出する。そして、正弦による写像空間において、ビームを形成可能な範囲を同時に送受信可能な信号数で等分した間隔の倍数に近い間隔だけ離れたユーザを同一グループとし、グループごとにビームを形成するための重み係数を算出する。このため、グループ内の１ユーザの方向に向くビームを形成するための重み係数を利用して、グループ内の他のユーザの方向に向くビームを形成することができ、各ユーザのビームの電力強度をほぼ等しくすることができる。結果として、複数のユーザに対して同時に十分な電力強度のビームを向けることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２の特徴は、正弦による写像空間において、ビームを形成することが可能な範囲をアンテナ素子数で等分した間隔の整数倍離れたユーザを同一グループに所属させる点である。

実施の形態２に係る無線通信装置１００の構成は、実施の形態１と同様であるため、その説明を省略する。ただし、実施の形態２においては、接続スイッチ１３０によるアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎとアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍとの接続関係が実施の形態１とは異なる。

図８は、実施の形態２に係る接続スイッチ１３０による接続を示す図である。図８に示すように、接続スイッチ１３０は、例えばアナログ処理部１４０−１とアンテナ素子１１０−１から連続して並ぶ（Ｎ／Ｍ）本のアンテナ素子とを接続し、アナログ処理部１４０−Ｍとアンテナ素子Ｎまでの連続して並ぶ（Ｎ／Ｍ）本のアンテナ素子とを接続する。すなわち、接続スイッチ１３０は、実施の形態１とは異なり、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎを、互いに隣接する（Ｎ／Ｍ）本ずつまとめて同一のアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍに接続する。

本実施の形態においては、プロセッサ１６０のグループ生成部１６３は、１ユーザを基準ユーザに設定し、基準ユーザに関する写像との差分が所定の条件を満たす写像に対応するユーザを基準ユーザと同一グループに所属させる。基準ユーザと同一グループに所属するユーザの写像が満たすべき条件は、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎによってビームを形成することが可能な範囲の写像をアンテナ素子数で等分した間隔の整数倍だけ基準ユーザに関する写像から離れていることである。

実施の形態１においては、ビームを形成することが可能な範囲の写像を同時に送受信可能な信号数Ｍで等分した間隔が基準となっていたが、実施の形態２においては、アンテナ素子数Ｎで等分した間隔が基準となる。このような基準によってユーザをグループ分けすることにより、各ユーザの方向へ向くビームの電力強度は、例えば図９に示すような電力強度となる。

図９に示すように、実線及び破線で示す２ユーザの方向は、正弦による写像空間において、ビームを形成することが可能な範囲２ｓｉｎ（Θ／２）をアンテナ素子数Ｎで等分した間隔だけ離れている。図９から明らかなように、一方のユーザのビームの電力強度が大きくなる方向では、他方のユーザのビームの電力強度が小さくなる。すなわち、各ユーザの方向を向くビームが互いに弱め合うことがない。結果として、図９に示す２ユーザに対して同時に十分な電力強度のビームを向けることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、受信信号の到来方向推定によって各ユーザの位置を示す角度を求め、この角度の正弦による写像を算出する。そして、正弦による写像空間において、ビームを形成可能な範囲をアンテナ素子数で等分した間隔の倍数に近い間隔だけ離れたユーザを同一グループとし、グループごとにビームを形成するための重み係数を算出する。このため、グループ内の１ユーザの方向に向くビームと、他ユーザの方向に向くビームとが互いに弱め合うことがない。結果として、複数のユーザに対して同時に十分な電力強度のビームを向けることができる。

（実施の形態３）
実施の形態３の特徴は、ユーザの分布に応じて接続スイッチにおける接続関係とグループ分けの方法とを切り替える点である。

実施の形態３に係る無線通信装置１００の構成は、実施の形態１と同様であるため、その説明を省略する。ただし、実施の形態３においては、プロセッサ１６０の機能が実施の形態１とは異なる。

図１０は、実施の形態３に係るプロセッサ１６０の機能を示すブロック図である。図１０において、図３と同じ部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。図１０に示すプロセッサ１６０は、図３に示すプロセッサ１６０のグループ生成部１６３に代えて、モード判定部２０１及びグループ生成部２０２を有する。

モード判定部２０１は、到来方向推定部１６１によって推定された受信信号の到来方向に基づいて、ユーザのグループ分けを第１のモードで行うか第２のモードで行うかを判定する。具体的には、モード判定部２０１は、受信信号の到来方向から、各ユーザの位置が比較的広範囲に散らばっているか否かを判定し、散らばっている場合には第１のモードでグループ分けを行うと判定する。また、モード判定部２０１は、各ユーザの位置が比較的小さい範囲に集中している場合には第２のモードでグループ分けを行うと判定する。モード判定部２０１は、例えば各ユーザからの受信信号の到来方向の分散を求め、分散が所定の閾値以上であるか否かを判定することにより、各ユーザの位置が散らばっているか否かを判定することができる。

ここで、第１のモードは、ビームを形成することが可能な範囲の写像を、同時に送受信可能な信号数Ｍで等分してユーザのグループ分けを行うモードである。一方、第２のモードは、ビームを形成することが可能な範囲の写像を、アンテナ素子数Ｎで等分してユーザのグループ分けを行うモードである。すなわち、第１のモードは、実施の形態１で述べたグループ分けを行うモードであり、第２のモードは、実施の形態２で述べたグループ分けを行うモードである。

モード判定部２０１は、第１のモード及び第２のモードのどちらのモードでグループ分けを行うかを接続スイッチ１３０へ通知する。これにより、モード判定部２０１は、第１のモードでグループ分けを行う場合には、接続スイッチ１３０に、アンテナ素子１１０−１〜１１０−ＮをＭ本間隔で同一のアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍに接続させる。一方、モード判定部２０１は、第２のモードでグループ分けを行う場合には、接続スイッチ１３０に、アンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎを互いに隣接する（Ｎ／Ｍ）本ずつまとめて同一のアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍに接続させる。

グループ生成部２０２は、第１のモードでグループ分けを行うと判定された場合には、正弦による写像空間において、ビームを形成することが可能な範囲を、同時に送受信可能な信号数で等分した間隔の倍数だけ離れたユーザを同じグループに所属させる。すなわち、グループ生成部２０２は、第１のモードでグループ分けを行うと判定された場合には、実施の形態１で述べたグループ分けを行う。

一方、グループ生成部２０２は、第２のモードでグループ分けを行うと判定された場合には、正弦による写像空間において、ビームを形成することが可能な範囲を、アンテナ素子数で等分した間隔の倍数だけ離れたユーザを同じグループに所属させる。すなわち、グループ生成部２０２は、第２のモードでグループ分けを行うと判定された場合には、実施の形態２で述べたグループ分けを行う。

本実施の形態においては、ユーザが比較的広範囲に散らばっている場合には、実施の形態１と同様のグループ分けを行い、ユーザが比較的小さい範囲に集中している場合には、実施の形態２と同様のグループ分けを行う。したがって、ユーザが比較的広範囲に散らばっている場合に採用される第１のモードでは、接続スイッチ１３０がアンテナ素子１１０−１〜１１０−ＮをＭ本間隔で同一のアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍに接続する。また、グループ生成部２０２は、正弦による写像空間において、ビームを形成することが可能な範囲を同時に送受信可能な信号数Ｍで等分した間隔を基準としてグループ分けを行う。

一方、ユーザが比較的小さい範囲に集中している場合に採用される第２のモードでは、接続スイッチ１３０がアンテナ素子１１０−１〜１１０−Ｎを互いに隣接する（Ｎ／Ｍ）本ずつまとめて同一のアナログ処理部１４０−１〜１４０−Ｍに接続する。また、グループ生成部２０２は、正弦による写像空間において、ビームを形成することが可能な範囲をアンテナ素子数Ｎで等分した間隔を基準としてグループ分けを行う。

このように、ユーザの分布によってモードを切り替えてグループを生成するため、ユーザの分布に適した方法でグループごとのビームを形成することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、受信信号の到来方向推定によって各ユーザの位置を示す角度を求め、ユーザが比較的広範囲に散らばっているか否かの判定結果に応じて、グループ生成のモードを切り替える。このため、ユーザの分布に適した方法でグループごとのビームを形成することができ、複数のユーザに対して同時に十分な電力強度のビームを向けることができる。

１１０−１〜１１０−Ｎ アンテナ素子
１２０ フェーズシフタ
１３０ 接続スイッチ
１４０−１〜１４０−Ｍ アナログ処理部
１５０−１〜１５０−Ｍ ＤＡ／ＡＤ変換部
１６０ プロセッサ
１６１ 到来方向推定部
１６２ 写像算出部
１６３、２０２ グループ生成部
１６４ アナログ重み係数算出部
１６５ デジタル重み係数算出部
１６６ 重み付け処理部
１６７ 信号処理部
２０１ モード判定部

Claims (7)

1. それぞれ送信信号又は受信信号に対して所定のアナログ処理を施す複数のアナログ処理部と、
   前記複数のアナログ処理部に接続される複数のアンテナ素子と、
   複数のユーザから送信された信号の到来方向を推定する推定部と、
   前記推定部によって推定された到来方向を示す角度の三角関数による写像を算出する算出部と、
   前記算出部によって算出された写像に基づいて、前記複数のユーザをグループ分けするグループ分け部と、
   前記グループ分け部によるグループ分けの結果得られるグループごとに、グループに属するユーザの方向へ指向性ビームを形成するための重み係数を決定する決定部とを有し、
   前記グループ分け部は、
   前記算出部が用いる三角関数の写像空間において、前記複数のアンテナ素子によって指向性ビームを形成可能な範囲を前記アナログ処理部の数又は前記アンテナ素子の数で等分した間隔の整数倍だけ互いに離れたユーザを同一のグループとするグループ分けをすることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記決定部は、
   前記複数のアンテナ素子それぞれに重み付けする第１の重み係数を算出する第１の重み係数算出部と、
   グループごとのユーザそれぞれへ送信される送信信号又はグループごとのユーザそれぞれから受信される受信信号に重み付けする第２の重み係数を算出する第２の重み係数算出部と
   を含むことを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
3. 前記複数のアンテナ素子は、
   一列に並べて配列され、前記アナログ処理部の数間隔のアンテナ素子が同一のアナログ処理部に接続されることを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
4. 前記複数のアンテナ素子は、
   一列に並べて配列され、前記アンテナ素子の数を前記アナログ処理部の数で除算して得られる商と等しい数の互いに隣接するアンテナ素子が同一のアナログ処理部に接続されることを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
5. 前記グループ分け部は、
   前記推定部によって推定された到来方向に基づいてユーザの分布を判定し、判定結果に応じて、前記算出部が用いる三角関数の写像空間において、前記複数のアンテナ素子によって指向性ビームを形成可能な範囲を前記アナログ処理部の数で等分した間隔の整数倍だけ互いに離れたユーザを同一のグループとする第１のグループ分けをするか、又は、前記複数のアンテナ素子によって指向性ビームを形成可能な範囲を前記アンテナ素子の数で等分した間隔の整数倍だけ互いに離れたユーザを同一のグループとする第２のグループ分けをすることを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
6. 前記第１の重み係数算出部は、
   グループ内の基準となる基準ユーザの方向へ指向性ビームを形成するための第１の重み係数を算出し、
   前記第２の重み係数算出部は、
   基準ユーザと各ユーザとに関する写像の差分に応じたユーザごとの第２の重み係数を算出する
   ことを特徴とする請求項２記載の無線通信装置。
7. それぞれ送信信号又は受信信号に対して所定のアナログ処理を施す複数のアナログ処理部と、前記複数のアナログ処理部に接続される複数のアンテナ素子とを有する無線通信装置が実行するビーム制御方法であって、
   複数のユーザから送信された信号の到来方向を推定し、
   推定された到来方向を示す角度の三角関数による写像を算出し、
   算出された写像に基づいて、前記複数のユーザをグループ分けし、
   グループ分けの結果得られるグループごとに、グループに属するユーザの方向へ指向性ビームを形成するための重み係数を決定する
   処理を有し、
   前記グループ分けする処理は、
   前記写像の算出に用いられる三角関数の写像空間において、前記複数のアンテナ素子によって指向性ビームを形成可能な範囲を前記アナログ処理部の数又は前記アンテナ素子の数で等分した間隔の整数倍だけ互いに離れたユーザを同一のグループとするグループ分けをすることを特徴とするビーム制御方法。

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