JP7220996B2

JP7220996B2 - 無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法

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Publication number: JP7220996B2
Application number: JP2018103562A
Authority: JP
Inventors: 優吉岡; 圭佑中村; 敏充近藤; 景士小南
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2023-02-13
Anticipated expiration: 2038-05-30
Also published as: JP2019208165A

Description

本発明は、アレイアンテナを用いた無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法に関する。

無線通信システムにおいて、周波数の利用効率を向上するため、空間的通信処理を可能にするアレイアンテナを用いた無線通信が行われている。アレイアンテナは、各アンテナ素子の励振位相を移相器で制御することにより、ビームを予め定めた方向に指向させることができる。これにより無線通信システムのネットワーク構成を空間的に指定している（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載のネットワーク構成推定装置は、観測された通信トラヒックを発信元ノード毎に分離し、発信元ノード毎の信号から制御情報を抽出する。抽出した制御情報の自己相関をとって制御情報の信号周期などを示す制御特性を抽出し、得られた制御特性を参照してネットワークモデルの構成を推定している。これにより、ネットワークの通信に影響を与えることなく、ネットワーク構成を指定することができると説明している。

特開２０１４－６０７０６号公報

特許文献１に記載のネットワーク構成推定装置は、同一ネットワークに属するノードの方向を推定し、推定した情報に基づいてネットワーク構成を指定する。しかし、ネットワークに加入していないノードの方向は探知していなかった。このため、受信する希望波の周波数と同じ周波数の他のネットワークの通信波が存在する場合に干渉波が発生する。これより、受信局において、本来受信を希望する通信信号の品質劣化が発生するという問題があった。例えば、受信信号のビット誤り率特性が悪化していた。

また、同一エリア内で通信妨害を意図して、妨害システムが妨害波を出力していることもある。妨害システムも高性能化しており、本来の通信が機能しなくなりネットワークが切断されるという問題も生じていた。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、不要波の影響を抑制し、希望波を低雑音で受信することのできる無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の無線通信装置は、複数のアンテナ素子を含むアレイアンテナを備えた無線通信装置であって、複数のアンテナ素子それぞれで受信された複数の受信信号から希望波及び不要波の方向を特定し、アレイアンテナが形成する主ビームの指向方向を希望波の方向に決定し、ヌルビームの指向方向を不要波の方向に決定する受信系演算部と、受信系演算部が決定した指向方向に、主ビームとヌルビームがそれぞれ指向するための、複数のアンテナ素子それぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算して決定する送信系演算部と、送信系演算部が決定した振幅及び位相の補正量により、複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する送信系振幅位相補正部と、受信系演算部が特定した希望波及び不要波の方向に基づいて、迂回中継の要否の判定を行う迂回中継判定部と、他の無線通信装置に対して中継指示を送信する制御を行う中継制御部と、を備え、中継制御部の制御により迂回中継を実行する場合に、送信系演算部は、中継指示を受信した他の無線通信装置を備える中継局へ主ビームが指向し、ヌルビームが、不要波の方向、及び他の中継局へ指向するための、複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相の補正量を演算して決定することを特徴とする。

本発明によれば、干渉波又は妨害波を含む不要波の方向を検出し、検出した不要波の到来方向に対して、アンテナパターンにおけるヌルビームを形成することにより、不要波の影響を抑制し、希望波を低雑音で受信することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る無線通信装置の構成例を示すブロック図実施の形態１に係る無線通信処理のフローチャート不要波が存在するネットワークにおける無線通信を示すイメージ図アンテナパターンを示す図本発明の実施の形態２に係る無線通信装置の構成例を示すブロック図実施の形態２に係る無線通信処理のフローチャート不要波が存在するネットワークにおける無線通信を示すイメージ図不要波が存在するネットワークにおける無線通信を示すイメージ図本発明の実施の形態３に係るＴＤＭＡフレームの構成例を示す図

実施の形態１．
以下に、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一又は相当する部分には同じ符号を付す。

図１は、この発明の実施の形態１に係る無線通信装置１の構成例を示すブロック図である。無線通信装置１は、無線通信を行う通信局に備えられている。無線通信装置１は、図１に示すように、Ｎ個（Ｎは２以上の任意の自然数）のアンテナ素子を配列したアレイアンテナ１１０と、各アンテナ素子と接続されたＮ個の送受信回路１２０－１～１２０－Ｎと、送信信号の演算を行う送信系演算部２００と、受信信号の演算を行う受信系演算部３００と、を備える。さらに、無線通信装置１は、変調信号を生成する変調器（Modulator：ＭＯＤ）４００と、復調信号を生成する復調器（Demodulator：ＤＥＭ）５００と、時分割多重接続の通信制御を行うＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access：時分割多重接続）制御部６００と、を備える。

アレイアンテナ１１０はＮ個のアンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎを一方向に配列し、アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎから放射する送信波の位相を制御することにより定めた指向方向θで送信ビームを放射し、また、受信ビームを受信する。

Ｎ個の送受信回路１２０－１～１２０－Ｎは、各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎにそれぞれ接続している。送受信回路１２０－１～１２０－Ｎは、互いに同じ構成を有している。ここでは送受信回路１２０－１について説明する。

送受信回路１２０－１は、送受信を切り替えるスイッチ１２１と、受信信号を増幅する低雑音アンプ（Low Noise Amplifier：ＬＮＡ）１２２と、受信信号を中間周波数信号に周波数変換するダウンコンバータ（Down Converter：Ｄ／Ｃ）１２３と、中間周波数信号を複素デジタル信号に変換するＡＤコンバータ（Analog / Digital Converter：Ａ／Ｄ）１２４と、複素デジタル信号の振幅及び位相を補正する受信系振幅位相補正部１２５と、を備える。

また、送受信回路１２０－１は、送信系演算部２００から入力される送信用変調信号の振幅及び位相を補正する送信系振幅位相補正部１２６と、振幅及び位相を補正した補正変調信号をアナログの中間周波数信号に変換するＤＡコンバータ（Digital / Analog Converter：Ｄ／Ａ）１２７と、中間周波数信号を無線周波数信号に周波数変換するアップコンバータ（Up Converter：Ｕ／Ｃ）１２８と、無線周波数信号を高電力で増幅する高電力アンプ（High Power Amplifier：ＨＰＡ）１２９と、を備える。

また、送受信回路１２０－１は、図示していないが、基準信号発振器１３０と、基準信号発振器が出力する基準発振信号を用いて、ダウンコンバータ１２３及びアップコンバータ１２８で用いる局部発振信号を生成するＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路１３１、１３２と、ＡＤコンバータ１２４及びＤＡコンバータ１２７のサンプルクロックを生成するＰＬＬ回路１３３、１３４と、をさらに備える。

スイッチ１２１は、時分割多重接続の切り替えのタイミングで送受信の切り替えを行うスイッチである。スイッチ１２１は、受信時にはアンテナ素子１１０－１で受信した受信信号を低雑音アンプ１２２に出力し、送信時には、高電力アンプ１２９からの送信信号をアンテナ素子１１０－１に出力する。スイッチ１２１は後述するＴＤＭＡ制御部６００のタイミング制御部６０１が示すタイミングで送受信の切り替えを行う。

低雑音アンプ１２２は、受信時にスイッチ１２１を介して入力された微弱な受信信号を低雑音で増幅する。ダウンコンバータ１２３は、低雑音アンプ１２２で増幅された受信信号を、ＰＬＬ回路１３１が生成した基準発振信号に同期した局部発振信号とミキシングすることにより、予め定めた中間周波数へ周波数変換を行い、中間周波数信号を出力する。

ＡＤコンバータ１２４は、ダウンコンバータ１２３が出力する中間周波数信号をＰＬＬ回路１３３から入力されるサンプルクロックで複素デジタル信号に変換する。

受信系振幅位相補正部１２５は、ＡＤコンバータ１２４が出力する複素デジタル信号を受信系演算部３００から指示される振幅及び位相の補正量で補正した補正デジタル信号を出力する。

送信系振幅位相補正部１２６は、送信系演算部２００から入力される送信用変調信号を、送信系演算部２００から指示される振幅及び位相の補正量で補正した補正変調信号を出力する。

ＤＡコンバータ１２７は、送信系振幅位相補正部１２６が出力する補正変調信号を、ＰＬＬ回路１３４から入力されるサンプルクロックで、アナログの中間周波数信号に変換する。

アップコンバータ１２８は、ＤＡコンバータ１２７が出力する中間周波数信号を、ＰＬＬ回路１３２が生成した基準発振信号に同期した局部発振信号とミキシングすることにより、無線周波数へ周波数変換を行い、送信信号を出力する。

高電力アンプ１２９は、アップコンバータ１２８から出力される送信信号を無線伝送での減衰を考慮して大電力増幅して、スイッチ１２１に入力する。

受信系演算部３００は、アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎそれぞれで受信した複数の受信信号から希望波と不要波の方向を特定する。具体的には、各送受信回路１２０－１～１２０－Ｎの受信系振幅位相補正部１２５が出力する信号を用いて、希望波と不要波の方向探知（Directional Finder：ＤＦ）処理を実行し、希望波と不要波の方向を特定する。ここで、希望波とは、通信相手である通信局から送信される送信波である。不要波とは、通信の妨げとなる電波であり、他のネットワークの通信波との干渉波、又は、通信妨害を意図した妨害システムが出力する妨害波を含む。

受信系演算部３００は、方向探知の結果、特定した希望波と不要波の方向に基づいて、アレイアンテナ１１０が形成する主ビームの指向方向を希望波の方向に決定し、ヌルビームの指向方向を不要波の方向に決定する。そして、決定したそれぞれの指向方向に主ビーム及びヌルビームが指向したビームを形成させる、デジタルビームフォーミング処理（Digital Beam Forming Processing：ＤＢＦＰ）を行い、各送受信回路１２０－１～１２０－Ｎの振幅と位相の重み付けを行う。つまり、受信系演算部３００は、受信信号それぞれに対して各送受信回路１２０－１～１２０－Ｎの振幅と位相の重み付けの演算を行い、決定した希望波及び不要波の方向に基づいて、各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎが受信した複数の受信信号を合成した信号の、希望波の方向の電力が最大となり不要波の方向の電力が最小となる振幅及び位相の補正量を決定する。重み付けの方式は従来の任意の方式を用いる。例えば、方向拘束付電力最小化法（Directionally Constrained Minimization of Power：ＤＣＭＰ）アルゴリズムを用いる。

受信系演算部３００は、導出した各送受信回路１２０－１～１２０－Ｎに対応する振幅及び位相の補正量をそれぞれの受信系振幅位相補正部１２５へ出力した後、各受信系振幅位相補正部１２５から出力される複素デジタル信号の和を計算する。これにより、受信系演算部３００は、希望信号対妨害雑音比（Signal to Jamming and Noise Ratio：ＳＪＮＲ）が最大化された合成受信信号を演算する。

復調器５００は、受信系演算部３００から出力される合成受信信号を復調処理して情報系列を出力する。復調処理は、変調方式に対応した任意の方式を用いて復調を行う。例えば、ＢＰＳＫ，ＱＰＳＫを含む位相変調方式に対しては、同期検波方式を用いる。

ＴＤＭＡ制御部６００は、受信した情報系列が入力され、送信する情報系列を出力する。そして、受信した情報系列を通信局の内部処理装置に出力し、内部処理装置から送信指示された情報系列を出力する。

また、ＴＤＭＡ制御部６００は、図１に示すように、タイミング制御部６０１を含む。タイミング制御部６０１は、時分割多重接続における送信信号及び受信信号に対するタイミング制御を行う。具体的には、各通信局が通信を行うためにそれぞれが割当てられたタイムスロットそれぞれのタイミングを送信系演算部２００及び受信系演算部３００に出力する。

また、ＴＤＭＡ制御部６００は、図１に示すように、未使用スロット抽出部６０２と、通信ルール記憶部６０３とを更に含む。通信ルール記憶部６０３には、ＴＤＭＡ通信ルール６０４が記憶されている。ＴＤＭＡ通信ルール６０４は複数のタイムスロットそれぞれについて割当てられた通信局があるか否かを示すルールである。未使用スロット抽出部６０２は、ＴＤＭＡ通信ルール６０４に基づいて、割当てられた通信局が無い未使用スロットを抽出して受信系演算部３００に出力する。受信系演算部３００は、未使用スロット抽出部６０２が抽出した未使用スロットのタイミング制御部が示すタイミングで各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎが受信した複数の受信信号をもとに、不要波の方向を特定する。これにより、不要波の方向を正確に特定できる。

変調器４００は、送信する情報系列を変調処理して送信用変調信号を出力する。変調処理は、任意の変調方式に対応した方式を用いて変調を行う。

送信系演算部２００は、変調器４００から入力される送信用変調信号を各送受信回路１２０－１～１２０－Ｎの送信系振幅位相補正部１２６に出力する。また、送信系演算部２００は、受信系演算部３００が実行した方向探知処理及びデジタルビームフォーミング処理の結果に基づいて、希望波の方向に主ビームが指向し、不要波の方向にヌルビームが指向するための、アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎそれぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算して決定する。そして決定した振幅及び位相の補正量を送信系振幅位相補正部１２６に出力する。

以上のように構成された無線通信装置１の動作について図２のフローチャートに沿って説明する。図２は送信系演算部２００、受信系演算部３００及びＴＤＭＡ制御部６００が実行する無線通信処理を示すフローチャートである。

図３は、不要波が存在するネットワークにおける無線通信を示すイメージ図である。図３は、本実施の形態に係る無線通信装置１を備えた通信局であるノードＡ、ノードＢ、ノードＣ、ノードＤを含む無線通信システムを示している。ノードＡとノードＢとが、また、ノードＣとノードＤとが通信する場合について説明する。

ノードＡ、Ｃは通信開始前に、受信信号を元に方向探知処理を実行する（ステップＳ１０１）。具体的には、ＴＤＭＡ制御部６００のタイミング制御部６０１の制御により、スイッチ１２１が受信側に切り替えられ、アレイアンテナ１１０に備えられた各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎが受信した受信信号が、低雑音アンプ１２２に出力される。このとき受信信号は、不要波の信号を含む。

低雑音アンプ１２２が微弱な受信信号を低雑音で増幅し、ダウンコンバータ１２３が、低雑音アンプ１２２で増幅された受信信号を中間周波数へ周波数変換して、中間周波数信号を出力する。

ＡＤコンバータ１２４は、ダウンコンバータ１２３が出力する中間周波数信号を複素デジタル信号に変換する。受信系振幅位相補正部１２５は、ＡＤコンバータ１２４から入力される複素デジタル信号を受信系演算部３００から指示される振幅及び位相の補正量で補正した信号を出力する。

受信系演算部３００は、各送受信回路１２０－１～１２０－Ｎの受信系振幅位相補正部１２５が出力する信号から各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎの受信信号ベクトルを演算し、到来波の方向探知処理を実行し、到来波の方向を特定する。到来波は希望波と不要波を含む。図３に示すネットワークにおいて、ノードＡ、Ｃの受信系演算部３００は不要波の方向を特定する。

ステップＳ１０１で到来波の方向探知処理を実行した結果、到来波の方向が判明しなかったときは（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、ステップＳ１０１、Ｓ１０２の処理を繰り返す。到来波の方向が判明したときは（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、ＴＤＭＡ通信ルール６０４と照合することで、到来波が希望波か不要波の識別を行う（ステップＳ１０３）。このとき、受信系演算部３００は、未使用スロット抽出部６０２が抽出した未使用スロットで受信した到来波を不要波と識別する。

次に、受信系演算部３００が、識別した希望波と不要波の方向を用いて、デジタルビームフォーミング処理を行い、その結果に基づいて、送信系演算部２００が希望波方向に主ビームを指向し、不要波方向にヌルビームを指向させる（ステップＳ１０４）。

具体的には、送信系演算部２００は、受信系演算部３００が実行した方向探知処理及びデジタルビームフォーミング処理の結果に基づいて、希望波の方向に主ビームが指向し、不要波の方向にヌルビームが指向するための、各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎそれぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算して決定する。そして決定した振幅及び位相の補正量を送信系振幅位相補正部１２６に出力する。送信系振幅位相補正部１２６は、送信系演算部２００から入力される送信用変調信号を、送信系演算部２００から指示される振幅及び位相の補正量で補正した補正変調信号を出力する。

そして、ＤＡコンバータ１２７が、送信系振幅位相補正部１２６から出力される補正変調信号を、アナログの中間周波数信号に変換し、アップコンバータ１２８が、その中間周波数信号を無線周波数へ周波数変換し、送信信号を出力する。

高電力アンプ１２９は、アップコンバータ１２８から出力される送信信号を大電力増幅して、スイッチ１２１に入力する。このとき、スイッチ１２１はＴＤＭＡ制御部６００のタイミング制御部６０１の制御により、送信側に切り替わり、アップコンバータ１２８から出力される送信信号が各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎから放射される。放射される送信信号は希望波方向に主ビームが指向され、不要波方向にヌルビームが指向されている。

ノードＢ、Ｄの受信系演算部３００においても、希望波及び不要波の方向を特定し、希望波方向に主ビームを指向し、不要波方向にヌルビームを指向させている。これにより、ノードＡとノードＢ、及び、ノードＣとノードＤそれぞれの通信が確立する。

図４は、主ビーム及びヌルビームを含む受信側のアンテナパターンを示す図である。図４に示すように、通信相手先を向く角度０°の相対的増幅率が最大となっており、不要波の発生源を向く角度約－１００°の相対的増幅率が極小値となっている。

その後、定常追尾動作に遷移し（ステップＳ１０５）、希望波及び不要波の方向の微調制御を実施する。微調制御は任意の制御方法を用いて実施するが、例えば、コニカルスキャンを用いて実施する。

そして、ビット対誤り率が閾値未満である場合は（ステップＳ１０６；Ｎｏ）、定常追尾動作を継続する（ステップＳ１０５）。ビット対誤り率が閾値以上であった場合には（ステップＳ１０６；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０１に戻り、希望波及び不要波の方向探知から処理を繰り返す。

これにより、到来波の方向探知により、不要波方向を特定し、その方向へヌルビームを形成するため、不要波の影響を受けることなく、ノード間の安定した通信を実施することができる。また、未使用スロット抽出部６０２が抽出した未使用スロットで不要波のみを受信した受信信号から不要波の方向を特定するため、不要波の方向を正確に特定できる。

以上説明したように実施の形態に係る無線通信装置１は、アレイアンテナ１１０に配列された各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎが受信した受信信号に基づいて、受信系演算部３００が希望波及び不要波の方向探知処理及びデジタルビームフォーミング処理を実行し、主ビームとヌルビームの指向方向を決定する。その結果に基づいて、送信系演算部２００が、各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎに対応する振幅及び位相の補正量を演算して送信系振幅位相補正部１２６に出力する。送信系振幅位相補正部１２６は送信用変調信号を送信系演算部２００から入力された振幅及び位相の補正量で補正した信号を出力する。そして、振幅及び位相を補正した補正変調信号をデジタル信号に変換し、無線周波数にアップコンバートして増幅してから各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎから放射することとした。これにより、希望波方向への主ビームと不要波方向へのヌルビームを正確に形成することができ、不要波の影響を受けることなく、ノード間の安定した通信ネットワークを構築することができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る無線通信装置２について、図５～８を用いて説明する。図中、同一若しくは同等の構成には同一符号を付している。

図５は、本実施の形態に係る無線通信装置２の構成例を示すブロック図である。無線通信装置２は、図５に示すように、実施の形態１と同様のＮ個のアンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎを配列したアレイアンテナ１１０と、Ｎ個の送受信回路１２０－１～１２０－Ｎと、送信系演算部２００と、受信系演算部３００と、変調器４００と、復調器５００と、ＴＤＭＡ制御部６００と、を備える。無線通信装置２は、これに加えて、受信信号を迂回中継するか否かを判定する迂回中継判定部７００を備える。

迂回中継判定部７００は、受信系演算部３００から出力される方向探知結果から迂回中継の要否の判定を行い、中継が必要と判定した場合は、中継指示をＴＤＭＡ制御部６００の中継制御部６０５に出力する。

ＴＤＭＡ制御部６００は、実施の形態１と同様にタイミング制御部６０１、未使用スロット抽出部６０２、通信ルール記憶部６０３を含む。図５において、未使用スロット抽出部６０２、通信ルール記憶部６０３は省略している。タイミング制御部６０１は、時分割多重接続における送信信号及び受信信号に対するタイミング制御を行う。

具体的には、各通信局が通信を行うためにそれぞれが割当てられたタイムスロットそれぞれのタイミングを送信系演算部２００及び受信系演算部３００に出力する。ここで、各通信局が割り当てられたタイムスロットは、１つの通信局に割当てが可能な通常伝送スロットと複数の通信局に割当てが可能な多重伝送スロットとを含む。受信系演算部３００は、タイミング制御部６０１が示す多重伝送スロットのタイミングで受信された複数の受信信号をもとに、不要波の方向を特定する。

また、ＴＤＭＡ制御部６００は中継制御部６０５を更に備える。中継制御部６０５は、他の無線通信装置２に対して中継指示を送信する制御を行う。その他の構成は、構成内容及び機能は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

以上のように構成された無線通信装置２の動作について図６のフローチャートに沿って説明する。図６は無線通信装置２の送信系演算部２００、受信系演算部３００、迂回中継判定部７００及びＴＤＭＡ制御部６００が実行する無線通信処理を示すフローチャートである。

図６のフローチャートのステップＳ１０１、Ｓ１０２の処理は、実施の形態１と同じである。

ステップＳ１０２において、到来波の方向が判明したときは（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、受信系演算部３００はＴＤＭＡ通信ルール６０４と照合することで、到来波が希望波か不要波の識別を行う（ステップＳ１０３Ａ）。このとき、受信系演算部３００は、未使用スロット抽出部６０２が抽出した未使用スロット又は多重伝送スロットで受信した到来波を不要波と識別する。

ステップＳ１０４で希望波方向に主ビームを指向させ、不要波方向にヌルビームを指向させた後、各ノードは、同一のネットワーク内の他のノードに不要波の到来方向を送信し、また他のノードから不要波の到来方向を受信することにより、不要波の到来方向の情報を共有する（ステップＳ２０１）。ネットワーク内で各ノードが検出した不要波の到来方向の情報を共有することにより、不要波の発生源の位置を特定することが可能になる。

迂回中継判定部７００は、不要波の発生源の位置に基づいて特定した自ノードへの不要波の到来方向と、希望波の到来方向と、がなす角度が閾値θ_Ｄ ^０以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。閾値θ_Ｄ ^０は、アレイアンテナ１１０における主ビーム幅を基準にして予め決定した閾値である。

不要波の到来方向と希望波の到来方向とがなす角度が閾値θ_Ｄ ^０未満の場合には（ステップＳ２０２；Ｎｏ）、主ビーム内にヌルビームを形成することになり、主ビームの利得が低下する。よって、この場合には、迂回中継判定部７００は、迂回中継をして不要波による妨害回避を要すると判定する。迂回中継判定部７００の判定結果に基づいて、中継制御部６０５がマスターノードに対して中継を要求し、マスターノードが、各ノードの位置関係に基づいて中継局を選択し、中継局に対して中継を指示することにより、迂回中継を実行する（ステップＳ２０３）。

図７及び図８は、不要波が存在するネットワークにおける無線通信を示すイメージ図である。図７，８は、本実施の形態に係る無線通信装置２を備えるノードＡ、ノードＢ、ノードＣ、ノードＤ、中継Ａ、中継Ｂを含む無線通信システムを示している。図７、８に示すように、ノードＡが、不要波とノードＡの延長線上に位置するノードＢと通信する場合、不要波の到来方向と、希望波の到来方向と、がなす角度が閾値θ_Ｄ ^０未満であると言える。この場合、ノードＢは、不要波及びノードＡの方向にヌルビームを形成するため、ノードＡから直接送信信号を受信することができない。

この場合、マスターノードが、中継Ａを中継局に指定する。図７に示すようにノードＡからの送信信号を中継Ａが受信したのちに、図８に示すように、中継Ａからの送信信号をノードＢが受信する。このようにして、ノードＡとノードＢとの通信は、中継Ａを介して実現することができる。同様に、ノードＣとノードＤとの通信は、中継Ｂを介して実現することができる。

ここで、中継局を介した通信を実行する場合、システムの周波数帯やアンテナ素子数の制約により、アレイアンテナ１１０の主ビーム角が広くなる場合がある。このような場合には、中継局を指定するケースが増加することが想定される。

中継局を介した通信時には、１ホップ分の冗長伝送が生じる。中継局が増加するたびにＴＤＭＡの通信スロットを消費することとなり、スループットが低下するという課題がある。これに対しては、他の中継局の送信波を不要波と見なしてヌルビームを形成する。つまり、中継制御部６０５の制御により迂回中継を実行する場合に、送信系演算部２００は、主ビームが中継局へ指向し、ヌルビームが不要波の方向及び他の中継局の方向に指向するための、複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相の補正量を演算して決定し、各送信系振幅位相補正部１２６に出力する。このようにして、中継制御部６０５は中継伝送における中継用スロットの空間多重を実行する。すなわち、多重伝送スロットを中継用スロットとして使用して空間多重を用いることにより、中継用スロットの消費が１スロットのみとなる。

例えば、図７、８に示すような中継Ａ、中継Ｂを用いた通信を行う場合、伝送する情報量が１スロット分とすると、中継用スロットを計２スロット分確保する必要がある。このとき、図８に示すように、ノードＢのビーム制御において、中継局である中継Ａに主ビーム指向の制御を行うと共に、不要波と中継Ｂの方向にヌルビームを形成する。同様に、ノードＤのビーム制御において、中継局である中継Ｂに主ビーム指向の制御を行うと共に、不要波と中継Ａの方向にヌルビームを形成する。

このように、ノードＢ及びノードＤが多重伝送スロットにおける他の中継局の送信波を不要波と見なしてヌルビームを形成することで、図７、８の下方に示したＴＤＭＡフレームに示すように、中継用スロットの消費が多重伝送スロットの１スロットのみとなる。

さらに、通常伝送スロット伝送時には、ポイント・トゥー・マルチポイント（ＰｔｏＭＰ）通信の場合、最遠ノードに合わせてＢＰＳＫを含む比較的ロバストな変調方式を選択する場合が多いが、中継伝送時には特定のノードに向けて伝送するポイント・トゥー・ポイント（ＰｔｏＰ）通信であるため、大容量の変調方式を適用しやすい。よって、複数の通常伝送時の複数スロットを１スロットに多重して大容量伝送することが可能となり、中継伝送時における消費スロットのオーバーヘッドを最小化することができる。

以上のように、ステップＳ２０２で、不要波の到来方向と希望波の到来方向がなす角度が閾値θ_Ｄ ^０未満の場合には（ステップＳ２０２；Ｎｏ）、迂回中継を実行して（ステップＳ２０３）、その後は定常追尾動作に遷移する（ステップＳ２０４）。一方、ステップＳ２０２で、不要波の到来方向と希望波の到来方向がなす角度が閾値θ_Ｄ ^０以上の場合には（ステップＳ２０２；Ｙｅｓ）、迂回中継を実行せず、ノード間の直接通信を開始し定常追尾動作に遷移する（ステップＳ２０４）。定常追尾動作において、不要波及び希望波の方向の微調制御を実施する。微調制御は任意の制御方法を用いて実施するが、例えば、コニカルスキャンを用いる。

そして、ビット対誤り率が閾値未満である場合は（ステップＳ２０５；Ｎｏ）、定常追尾動作を継続する（ステップＳ２０４）。ビット対誤り率が閾値以上であった場合には（ステップＳ２０５；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０１に戻り、希望波及び不要波の方向探知から処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施の形態にかかる無線通信装置２は、希望波方向に主ビームを指向させ、不要波方向にヌルビームを指向させた後、各ノードが不要波の到来方向の情報を共有し、不要波の発生源の位置を特定する。そして、迂回中継判定部７００が、不要波の発生源の位置に基づいて特定した自ノードへの不要波の到来方向と、希望波の到来方向と、がなす角度が閾値θ_Ｄ ^０未満である場合に、中継局を介した通信を実施することとした。これにより、希望波方向と不要波方向が重複した場合に、中継局を介した安定した通信が可能となり、ネットワークの柔軟性を高めることができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る無線通信装置２について、図９を用いて説明する。本実施の形態に係る無線通信装置２の構成は、実施の形態２と同様であり、迂回中継が可能な構成である。本実施の形態に係る無線通信装置２のＴＤＭＡ制御部６００が生成するＴＤＭＡフレームの構成が実施の形態２と異なる。図９は、ＴＤＭＡフレームの構成例を示す図である。

本実施の形態に係るＴＤＭＡフレームは、図９に示すように、全参加ノードが送信停止し、受信のみを行うリスニングスロットを配置する。すなわち、各通信局が通信を行うためにそれぞれが割当てられたタイムスロットは、当該通信局に割当てられる伝送スロットと通信局に割当てられないリスニングスロットとを含む。そしてタイミング制御部６０１が示すリスニングスロットで不要波のみの各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎの受信信号を参照信号として、受信系演算部３００が方向探知処理を行い、送信系演算部２００が、不要波方向にヌルビームを形成するために送信系振幅位相補正部１２６で補正する振幅及び位相の補正量を決定する。

これにより、通常の伝送スロットでの希望波及び不要波を受信する時の振幅位相補正量の重み付けの精度を向上することができる。また、ビーム形成にかかる重み付けの演算の収束時間も短縮できることから、妨害抑圧までのビーム形成時間も短縮化することができる。

本実施の形態のようにリスニングスロットを配置しない構成においては、希望波と不要波の２波以上の入力に対して、方向探知処理およびデジタルビームフォーミング処理を実行するため、希望波の電力が小さい場合、精度良い重み付け計算ができずＳＪＮＲが劣化する課題があった。また、アレイアンテナ１１０における素子間結合の影響が無視できない場合も、ＳＪＮＲの劣化が発生する。本実施の形態のリスニングスロットを配置したＴＤＭＡフレームは良好なＳＪＮＲを確保することができる。

以上説明したように、本実施の形態にかかる無線通信装置２は、ＴＤＭＡ制御部６００が生成するＴＤＭＡフレームに、全参加ノードが送信停止し、受信のみを行うリスニングスロットを配置する。そして、リスニングスロットで不要波のみの各アンテナ素子１１０－１～１１０－Ｎの受信信号を参照信号として、方向探知処理を行い、ヌルビームを形成するために送信系振幅位相補正部１２６で補正する振幅及び位相の補正量を決定することとした。これにより、希望波の電力が小さい場合やアレイアンテナ１１０における素子間結合の影響が無視できない場合であっても、ＳＪＮＲを向上させることが可能となる。

このように本発明は、複数のアンテナ素子を含むアレイアンテナを備えた無線通信において、複数のアンテナ素子それぞれで受信された複数の受信信号から希望波及び不要波の方向を特定し、アレイアンテナが形成する主ビームの指向方向を希望波の方向に決定し、ヌルビームの指向方向を不要波の方向に決定する。そして決定した指向方向に主ビームとヌルビームがそれぞれ指向するための複数のアンテナ素子それぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算して決定する。その振幅及び位相の補正量により、複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正することとした。これにより、不要波の影響を抑制し、希望波を低雑音で受信することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。

例えば、上記実施の形態において、希望波及び不要波の方向に基づいて、２つのノード間の直接通信、又は、１つの中継局を迂回中継する通信を実施するとしたが、２以上の中継局を迂回中継するようにしてもよい。

１，２無線通信装置、１１０アレイアンテナ、１１０－１～１１０－Ｎアンテナ素子、１２０－１～１２０－Ｎ送受信回路、１２１スイッチ、１２２低雑音アンプ、１２３ダウンコンバータ、１２４ＡＤコンバータ、１２５受信系振幅位相補正部、１２６送信系振幅位相補正部、１２７ＤＡコンバータ、１２８アップコンバータ、１２９高電力アンプ、１３０基準信号発振器、１３１～１３４ＰＬＬ回路、２００送信系演算部、３００受信系演算部、４００変調器、５００復調器、６００ＴＤＭＡ制御部、６０１タイミング制御部、６０２未使用スロット抽出部、６０３通信ルール記憶部、６０４ＴＤＭＡ通信ルール、６０５中継制御部、７００迂回中継判定部

Claims

複数のアンテナ素子を含むアレイアンテナを備えた無線通信装置であって、
前記複数のアンテナ素子それぞれで受信された複数の受信信号から希望波及び不要波の方向を特定し、前記アレイアンテナが形成する主ビームの指向方向を前記希望波の方向に決定し、ヌルビームの指向方向を前記不要波の方向に決定する受信系演算部と、
前記受信系演算部が決定した前記指向方向に、前記主ビームと前記ヌルビームがそれぞれ指向するための、前記複数のアンテナ素子それぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算して決定する送信系演算部と、
前記送信系演算部が決定した振幅及び位相の補正量により、前記複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する送信系振幅位相補正部と、
前記受信系演算部が特定した希望波及び不要波の方向に基づいて、迂回中継の要否の判定を行う迂回中継判定部と、
他の無線通信装置に対して中継指示を送信する制御を行う中継制御部と、
を備え、
前記中継制御部の制御により迂回中継を実行する場合に、前記送信系演算部は、前記中継指示を受信した前記他の無線通信装置を備える中継局へ前記主ビームが指向し、前記ヌルビームが、前記不要波の方向、及び他の中継局へ指向するための、前記複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相の補正量を演算して決定する、
無線通信装置。
前記受信系演算部は、
前記中継制御部の制御により迂回中継を実行しない場合に、前記希望波の方向へ前記主ビームが指向し、前記不要波の方向へ前記ヌルビームが指向するための、前記複数の受信信号それぞれに対する振幅及び位相の補正量を決定し、
前記中継制御部の制御により迂回中継を実行する場合に、前記中継局へ前記主ビームが指向し、前記ヌルビームが、前記不要波の方向、及び前記他の中継局へ指向するための、前記複数の受信信号それぞれに対する振幅及び位相の補正量を決定し、
前記複数の受信信号それぞれを前記受信系演算部が決定した前記振幅及び前記位相の補正量により補正する受信系振幅位相補正部を、さらに備える、
請求項１に記載の無線通信装置。
前記中継制御部は、前記中継局との通信で用いる中継用スロットにおいて、前記中継局との通信と、前記他の中継局と前記他の無線通信装置とは異なるさらに他の無線通信装置との通信とを空間多重させる制御を行う、
請求項１又は２に記載の無線通信装置。
無線通信を行う通信局が備える無線通信装置であって、前記通信局が通信を行うためにそれぞれが割当てられた複数のタイムスロットそれぞれのタイミングを示すタイミング制御部をさらに備え、前記受信系演算部は、前記タイミング制御部が示す前記タイムスロットの決められたタイミングで受信された前記複数の受信信号をもとに、前記不要波の方向を特定する、請求項１から３のいずれか１項に記載の無線通信装置。
前記複数のタイムスロットそれぞれについて割当てられた前記通信局があるか否かを示す通信ルールに基づいて、割当てられた前記通信局が無い未使用スロットを抽出する未使用スロット抽出部をさらに備え、前記受信系演算部は、前記未使用スロット抽出部が抽出した前記未使用スロットの前記タイミング制御部が示すタイミングで受信された前記複数の受信信号をもとに、前記不要波の方向を特定する、請求項４に記載の無線通信装置。
前記複数のタイムスロットは、１つの前記通信局に割当てが可能な通常伝送スロットと複数の前記通信局に割当てが可能な多重伝送スロットとを含み、前記受信系演算部は、前記タイミング制御部が示す前記多重伝送スロットのタイミングで受信された前記複数の受信信号をもとに、前記不要波の方向を特定する、請求項４又は５に記載の無線通信装置。
前記複数のタイムスロットは、前記通信局に割当てられる伝送スロットと前記通信局に割当てられないリスニングスロットとを含み、前記受信系演算部は、前記タイミング制御部が示す前記リスニングスロットのタイミングで受信された前記複数の受信信号をもとに、前記不要波の方向を特定する、請求項４から６のいずれか１項に記載の無線通信装置。
請求項１から７のいずれか１項に記載の無線通信装置を複数含み、複数の前記無線通信装置が、前記不要波の方向を共有する、
無線通信システム。
複数のアンテナ素子を含むアレイアンテナを用いた無線通信方法であって、
前記複数のアンテナ素子それぞれで受信された複数の受信信号から特定した希望波及び不要波の方向に基づいて前記アレイアンテナが形成する主ビーム及びヌルビームの指向方向を決定するビーム指向方向決定ステップと、
前記ビーム指向方向決定ステップで決定した前記指向方向に前記主ビームと前記ヌルビームがそれぞれ指向するための、前記複数のアンテナ素子それぞれから送信される複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する補正量を演算する演算ステップと、
前記演算ステップで演算した振幅及び位相の補正量により、前記複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相を補正する振幅位相補正ステップと、
前記ビーム指向方向決定ステップで特定した希望波及び不要波の方向に基づいて、迂回中継の要否の判定を行う迂回中継判定ステップと、
他の無線通信装置に対して中継指示を送信する制御を行う中継制御ステップと、
を有し、
前記中継制御ステップでの制御により迂回中継を実行する場合に、前記演算ステップでは、前記中継指示を受信した前記他の無線通信装置を備える中継局へ前記主ビームが指向し、前記ヌルビームが、前記不要波の方向、及び他の中継局の方向へ指向するための、前記複数の送信用変調信号それぞれの振幅及び位相の補正量を演算して決定する、
無線通信方法。