JP7453041B2 - アンテナ制御装置およびアンテナ制御システム - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ制御装置およびアンテナ制御システムに関する。

従来から、車両等の移動体にアンテナを設置した移動体通信において、基地局と移動局との通信品質を確保するために、移動体に設置されたアンテナの指向性を制御する技術が知られている。

特許文献１では、指向性制御処理を実行するタイミングで、自車位置をナビゲーション装置から取得し、自車の移動速度と基地局位置を演算し、ビームを向けるべき方向を選択するという構成を有している。また、ビームの形状を変化させる機構を有し、受信電力によって、ビームの形状を広くし、または、狭くする構成を有している。

また、特許文献２では、移動局としての自動車に搭載された通信アンテナについて、仰角切り替え装置を備える指向性制御装置が開示されている。指向性制御装置は、２つのアンテナによる受信信号を、切り替え器又は合成器により切り替え又は合成するとともに、仰角切り替え装置により、直接２つのアンテナの仰角を切り替える。建造物の高さの道路幅に対する比が第１の閾値よりも大きく、送信点位置が右領域又は左領域の場合、高仰角とし、道路垂直左又は右方向に指向性アンテナ部の指向性が制御される。その他の場合は低仰角とし、電波到来角により水平方向を切り替える。郊外地においては低仰角とし、送信点の方向に指向性を制御する。

特開２００４－１９３９４５号公報 特開２００５－２８６９１８号公報

特許文献１の構成によれば、ビーム形状を変化させるための条件に自車速度が入っていないために、移動局が基地局の近くを高速で移動する場合に、通信が不可能になる可能性があるという課題があった。また、特許文献２の構成によれば、移動局のビーム形状を変化させないために、常に、移動局のビームを基地局の方向に正確に制御させる必要があり、移動局が高速で移動する場合に、制御周期が短くなり、消費電力が増大するという課題があった。

本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして本発明の目的は、移動局と基地局との相対位置関係がどのような状態であっても、アンテナのビーム形状を変えることによって、アンテナの制御頻度を変化させることなく、安定した通信を維持し、消費電力を抑制させることにある。

本発明の態様に係る基地局と無線通信する移動局に取り付けられるアンテナ制御装置は、時刻ｔ_ｎの移動局から基地局への位置ベクトルｒ_ｎを演算する位置ベクトル演算部と、時刻ｔ_ｎからあらかじめ定められた時間間隔である時間間隔Δｔが経過した後の時刻ｔ_ｎ＋１の前記移動局から前記基地局への位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定する位置ベクトル推定部と、前記移動局を始点とした前記位置ベクトルｒ_ｎと前記位置ベクトルｒ_ｎ＋１によって形成される角度が、前記アンテナ制御装置が制御するアレイアンテナの半値角θの１／２を超える場合に、前記角度が前記アレイアンテナの半値角θの１／２を超えないように、前記アレイアンテナにおいて使用するアンテナ素子の数を減少させるビーム形状制御部と、を含むことが好ましい。

前記位置ベクトルｒ_ｎの方向が前記位置ベクトルｒ_ｎ＋１の方向に向くように、各アンテナ素子の位相量および振幅量を変更させるビーム方向制御部を備えることが好ましい。

前記ビーム方向制御部の制御頻度は、前記移動局と前記基地局との間の相対位置および相対速度によっては変化しないことが好ましい。

前記ビーム形状制御部の制御、および、前記ビーム方向制御部の制御は、あらかじめ定められた一定の時間間隔である前記時間間隔Δｔの間にそれぞれ一度ずつ実施されることが好ましい。

前記ビーム形状制御部は、前記移動局を始点とした前記位置ベクトルｒ_ｎと前記位置ベクトルｒ_ｎ＋１によって形成される角度が、前記アレイアンテナの半値角θの１／２を超えない場合には、前記角度が前記アレイアンテナの半値角θの１／２を超える手前の個数まで、前記アレイアンテナに使用される前記アンテナ素子の数を増加させることが好ましい。

時刻ｔ_ｎの移動局の速度ベクトルを演算する速度ベクトル演算部を含み、前記位置ベクトル推定部は、前記速度ベクトル演算部によって演算された速度ベクトル、および、前記位置ベクトル演算部によって演算された位置ベクトルｒ_ｎから、位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定することが好ましい。

時刻ｔ_ｎの移動局の速度ベクトルを演算する速度ベクトル演算部を含み、前記位置ベクトル推定部は、前記速度ベクトル演算部によって演算された速度ベクトルの絶対値である速度で、位置ベクトルｒ_ｎと直交する方向に等速直線運動をしたと推定して、位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定することが好ましい。

未使用アンテナ素子によって、新たなアレイアンテナを構成できる場合には、前記新たなアレイアンテナをダイバーシティアンテナ、または、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）アンテナとして使用することを指示するモード切り替え部を含むことが好ましい。

未使用アンテナ素子によって、新たなアレイアンテナを構成できる場合には、前記新たなアレイアンテナをダイバーシティアンテナおよびＭＩＭＯアンテナとして使用することを指示するモード切り替え部を含むことが好ましい。

本発明の他の態様に係るアンテナ制御システムは、アンテナ制御装置と、前記移動局に取り付けられる、複数のアンテナ素子から形成される前記アレイアンテナを含むことが好ましい。

本発明によれば、移動局と基地局との相対位置関係がどのような状態であっても、アンテナのビーム形状を変えることによって、アンテナの制御頻度を変化させることなく、安定した通信を維持し、消費電力を抑制させることが可能になる。

本実施形態に係るアンテナ制御装置およびアンテナ制御システムの適用例を示す模式図である。 本実施形態に係るアンテナ制御装置およびアンテナ制御システムの他の適用例を示す模式図である。 本実施形態に係る選択されたアンテナ素子と半値角θの１／２との関係の一例を示す模式図である。 本実施形態に係るアンテナ装置の一例を示すブロック図である。 本実施形態に係るアンテナ制御システムの一例を示すブロック図である。 本実施形態に係るアンテナ制御システムの動作の一例を示すフローチャートである。 本実施形態に係るアンテナ制御システムの動作の一例を示すフローチャートである。 本実施形態に係るアレイアンテナ、および、残余のアンテナ素子で構成されるアレイアンテナの構成の一例を示す模式図である。

以下、本実施形態に係わるアンテナ制御装置およびアンテナ制御システムの一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示に限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。さらに、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。

本実施形態に係るアンテナ制御装置およびアンテナ制御システムを図１～図７を用いて説明する。

（アンテナ制御装置およびアンテナ制御システムの適用例の概要）
図１では、位置が固定された基地局１０に対して移動する移動局２０である車両について、特定の時刻ｔ_ｎにおける位置ベクトルｒ_ｎが示されている。位置ベクトルの始点は移動局２０であり、終点は基地局１０である。

同様に、特定の時刻ｔ_ｎから一定の時間間隔Δｔだけ前の時刻ｔ_ｎ－１の位置ベクトルを位置ベクトルｒ_ｎ－１とする。また、特定の時刻ｔ_ｎから一定の時間間隔Δｔだけ後の時刻ｔ_ｎ＋１の位置ベクトルを位置ベクトルｒ_ｎ＋１とする。さらに、また、特定の時刻ｔ_ｎから一定の時間間隔Δｔ×２だけ後の時刻ｔ_ｎ＋２の位置ベクトルを位置ベクトルｒ_ｎ＋２とする。

これらの位置ベクトルの変化から速度ベクトルを演算によって取得することが可能になる。例えば、時刻ｔ_ｎにおける速度ベクトルＶ_ｎは、時間間隔Δtが微小であれば時間間隔Δtの平均の速度ベクトルＶ_ｎ＝（位置ベクトルｒ_ｎ－１）－（位置ベクトルｒ_ｎ）によって取得することが可能になる。

なお、速度ベクトルの絶対値は、車両の車速パルスから演算することも可能である。したがって、位置ベクトルの演算から速度の方向を取得し、車速パルスの演算から速度の絶対値を取得し、速度の方向と絶対値から速度ベクトルを精度よく演算することも可能である。すなわち、時刻ｔ_ｎ－１における速度ベクトルＶ_ｎ－１、時刻ｔ_ｎにおける速度ベクトルＶ_ｎ、時刻ｔ_ｎ＋１における速度ベクトルＶ_ｎ＋１、時刻ｔ_ｎ＋２における速度ベクトルＶ_ｎ＋２を精度よく演算することが可能である。

移動局２０には無線信号の送受信のためのアンテナが搭載されており、当該アンテナから放射される電力、または、当該アンテナが受信可能な電力は、アンテナ利得によって決定され、アンテナ利得が大きいほど遠距離までの送受信が可能になる。アンテナ利得は、指向性を持つ、すなわち、方向によって変化することが一般的である。図１の一点鎖線は方向によって変化するアンテナ利得を示したものであり、アンテナの指向性、または、ビームと称する。アンテナ利得が最大値を示す方向をビーム方向とすると、時刻ｔ_ｎ－１におけるビーム方向をビーム方向ｄ_ｎ－１と称し、時刻ｔ_ｎにおけるビーム方向をビーム方向ｄ_ｎと称する。また、時刻ｔ_ｎ＋１におけるビーム方向をビーム方向ｄ_ｎ＋１と称し、時刻ｔ_ｎ＋２におけるビーム方向をビーム方向ｄ_ｎ＋２と称する。

上述したビーム方向に関連して、ビーム形状を表現する指標の一つに半値角θがある。半値角とは、アンテナ利得が最大値の半値になる角度範囲を表現するものである。半値角は、通信可能範囲として一般的に認識されており、通信相手が位置する方向は半値角θ内に収まるようになることが好ましい。したがって、半値角θが大きいほど通信可能な範囲が広がるが、相対的に、アンテナ利得は低下するために遠距離通信が困難になってくる。また、半値角θが小さいほど通信可能な範囲が狭くなるが、相対的に、アンテナ利得が高くなるために遠距離通信が可能になってくる。

図１において、移動局２０が時刻ｔ_ｎから時刻ｔ_ｎ＋１の間に図１に示すように移動すると、時刻ｔ_ｎ＋１におけるビーム方向ｄ_ｎ＋１は基地局１０が配置されている方向からずれるが、ずれ量が半値角θ内に収まっているために、通信が可能である。しかし、移動局２０が図１に示すように移動し、時刻ｔ_ｎ＋２になると、ビーム方向ｄ_ｎ＋２の半値角θから、位置ベクトルｒ_ｎ＋２が外側に逸脱するために、移動局２０と基地局１０との通信ができなくなる。

そこで、移動局２０と基地局１０との通信を持続可能にするためには、ビーム方向を変化させる指向性制御が必要になる。指向性制御は、機械的にアンテナを回転させて指向性を変える方法と、図２に示すように、複数のアンテナ素子からなるアレイアンテナにおいて、それぞれの複数のアンテナ素子を電子的に制御する方法がある。本実施形態においては、図２に示す複数のアンテナ素子からなるアレイアンテナについて説明する。

図２に示すアレイアンテナは、複数のアンテナ素子ＡＥ＿ｎ（ｎは２以上の自然数）から構成され、各アンテナ素子ＡＥ＿ｎの信号の振幅と位相を変化させることによって、各アンテナ素子ＡＥ＿ｎからの電波が合成されて強め合う方向が制御される。当該振幅と位相を重み付けまたはウェイトと称する。アレイアンテナでは、各アンテナ素子ＡＥ＿ｎのウェイトを一定の時間間隔で更新し、アンテナの指向性を制御し、ビーム方向が半値角θ内に収まるようにすることによって通信可能な状態を維持する必要がある。

図１において、時刻ｔ_ｎのビーム方向ｄ_ｎと、基地局の方向を示す位置ベクトルｒ_ｎが平行である場合には、時刻ｔ_ｎ＋１において、位置ベクトルｒ_ｎ＋１とビーム方向ｄ_ｎ＋１との間には、角度差φ_ｎ＋１＝∠（ｒ_ｎ＋１、ｄ_ｎ＋１）が発生する。移動局と基地局との間で通信可能な状態を維持するためには、角度差φ_ｎ＋１と半値角θの間に、θ／２＞φ_ｎ＋１という不等式が成立する必要がある。

ウェイトの更新は、ウェイトの更新間隔でもある一定の時間間隔Δｔが経過した後の時刻ｔ_ｎ＋１において、θ／２＞φ_ｎ＋１という不等式が成立するように時刻ｔ_ｎの時点で制御する必要がある。しかし、時刻ｔ_ｎにおいては、時刻ｔ_ｎ＋１の位置ベクトルｒ_ｎ＋１、速度ベクトルＶ_ｎ＋１およびビーム方向ｄ_ｎ＋１は未知でもある。そこで図３のように、時刻ｔ_ｎにける速度ベクトルＶ_ｎを保持して移動局２０が等速直線運動をしたと想定して、位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定する。移動局２０の速度で一定の時間間隔Δｔに移動する距離は充分に短い距離であることが想定される。

この場合の，時刻ｔ_ｎ＋１における角度差は、図３から角度差φ_ｎ＋１＝ｔａｎ^－１（｜Ｖ_ｎ｜Δｔ／｜ｒ_ｎ｜）で表現することが可能になる。

上記式から分かるように、｜ｒ_ｎ｜が小さい場合、｜Ｖ_ｎ｜およびΔｔが大きい場合には角度差φ_ｎ＋１は大きくなってしまうので、通信可能な状態を維持するために、半値角θと以下の関係にあることが好ましい。すなわち、θ／２＜ｔａｎ^－１（｜Ｖ_ｎ｜Δｔ／｜ｒ_ｎ｜）であることが好ましい。

基地局１０に近い（｜ｒ_ｎ｜が小さい）位置を移動局２０が高速に移動している（｜Ｖ_ｎ｜が大きい）場合には、上記式を常に満足させるためにはウェイト更新間隔でもある時間間隔Δｔを短い時間にすることも一つの方法として有効な手段でもある。しかし、頻繁にウェイト更新をすると、膨大な信号処理が必要となるために、消費電力が著しく増大することが懸念される。そのために本実施形態では、ウェイト更新間隔でもある時間間隔Δｔを変更させずに半値角θを制御することによって、上記不等式を満足させることを提案するものである。

図４は、アレイアンテナを構成するアンテナ素子の数を増減することによって、半値角θを制御する方法の一例を示す模式図である。図４において動作しているアンテナ素子数を増加させると、ビーム形状が狭い、すなわち半値角θが小さい狭ビームとなることが図示されている。また、図４において動作しているアンテナ素子数を減少させると、ビーム形状が広い、すなわち半値角θが大きい広いビームとなることが図示されている。図４におけるアンテナ素子数の制御は後述するアンテナ素子切り替え部２４０によって実行することが可能である。また、動作するアンテナ素子数およびアンテナ素子位置はアレイ構成番号i（iは1以上の自然数）として付番され、アレイアンテナの半値角θとの関係は後述する記憶部１４０にあらかじめ記憶されている。ただし、アレイ構成番号iには最小値、最大値が定められておりその範囲を超えることはない。

（アンテナ制御装置およびアンテナ制御システムの構成例の概要）
図５は、アンテナ制御システム１０００の一例を図示したブロック図である。アンテナ制御システム１０００は、アンテナ制御装置１００およびアンテナ装置２００を含む。

アンテナ装置２００は、複数のアンテナ素子ＡＥ＿ｎ（ｎは２以上の自然数）、振幅制御部２２０、位相制御部２３０、および、アンテナ素子切り替え部２４０を含む。

複数のアンテナ素子ＡＥ＿ｎ、振幅制御部２２０、位相制御部２３０、および、アンテナ素子切り替え部２４０の接続関係を図２に示す。アンテナ素子ＡＥ＿１は、振幅制御素子ＡＣ＿１に接続され信号の振幅が制御され、位相制御素子ＰＣ＿１に接続され、アンテナ素子切り替え素子ＳＣ＿１でアンテナ制御装置１００と接続されるか否かが切り替えられる。同様に、アンテナ素子ＡＥ＿ｎは、振幅制御素子ＡＣ＿ｎに接続され信号の振幅が制御され、位相制御素子ＰＣ＿ｎに接続され、アンテナ素子切り替え素子ＳＣ＿ｎでアンテナ制御装置１００と接続されるか否かが切り替えられる。このように、各アンテナ素子は、個別に、振幅制御素子、位相制御素子およびアンテナ素子切り替え素子と接続されている。アンテナ素子切り替え素子ＳＣ＿ｎに入出力する信号はアンテナ素子切り替え部２４０またはアンテナ制御装置１００の送受信部１１０で１つの信号としてまとめられることが可能である。

また、アンテナ素子切り替え部２４０に入力されるビーム形状制御信号は、図５に示すビーム形状制御部１３７ａから出力される信号である。さらに、位相制御部２３０に入力されるビーム位相制御信号は、図５に示すビーム方向制御部１３７ｂから出力される信号である。さらに、振幅制御部２２０に入力されるビーム振幅制御信号は、図５に示すビーム方向制御部１３７ｂから出力される信号である。

次に、図５に戻って、アンテナ制御装置１００について説明する。

アンテナ制御装置１００は、送受信部１１０、信号処理部１２０、制御部１３０、記憶部１４０、および、モード切り替え部１５０を含む。なお、モード切り替え部１５０は必須の構成要素ではない場合がある。

送受信部１１０は無線信号の送信または受信を切り替える機能を有する。また、送信信号または受信信号を増幅する機能を有する場合もある。

信号処理部１２０は、データ信号を送信信号とするために変調し、受信信号をデータ信号とするために復調する機能を有する。

制御部１３０は、位置情報取得部１３１、位置ベクトル演算部１３２、速度ベクトル演算部１３３、位置ベクトル推定部１３４、角度演算部１３５、角度比較部１３６、および、ビーム制御部１３７を含む。

位置情報取得部１３１は、移動局である自車両の位置をＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）やジャイロスコープ等によって取得することが可能である。また、基地局１０の位置は、あらあじめ記憶されているものとする。例えば、無線信号に含まれる基地局識別情報を取得し、記憶部１４０に記憶されている基地局識別情報に対応する基地局の位置情報を取得する。

位置ベクトル演算部１３２は、位置情報取得部１３１において取得された移動局位置情報および基地局位置情報から、移動局位置から基地局位置に向かう位置ベクトルを演算し、生成する。位置ベクトルは前述した時間間隔Δｔ毎に順番に生成される。

速度ベクトル演算部１３３は、位置ベクトル演算部１３２において生成された、時刻ｔ_ｎ－１の位置ベクトルｒ_ｎ－１および時刻ｔ_ｎの位置ベクトルｒ_ｎから、時刻ｔ_ｎの速度ベクトルＶ_ｎを演算し、生成する。すなわち、速度ベクトルＶ_ｎ＝（位置ベクトルｒ_ｎ－１）－（位置ベクトルｒ_ｎ）である。また、前述したように速度ベクトルＶ_ｎの絶対値は、車速パルスから演算し、生成することによって、速度ベクトルＶ_ｎの精度を向上させることも可能である。

位置ベクトル推定部１３４は、速度ベクトル演算部１３３によって生成された速度ベクトルＶ_ｎに基づいて、時刻ｔ_ｎ＋１における位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定する。速度ベクトル演算部１３３によって、速度ベクトルＶ_ｎが演算されているので、位置ベクトル推定部１３４は、図３に示すように、速度ベクトルＶ_ｎを保ったまま時間間隔Δｔだけ等速直線運動したと想定して、位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定することが可能である。なお、この場合に、速度ベクトルＶ_ｎと位置ベクトルｒ_ｎとのなす角度を垂直として位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定することが近似的に可能である。また、位置ベクトル推定部１３４は、図示しない、加速度センサおよびジャイロセンサ等によって、より正確に、位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定することも可能である。

角度演算部１３５は、時刻ｔ_ｎにおける位置ベクトルｒ_ｎと、時刻ｔ_ｎ＋１における位置ベクトルｒ_ｎ＋１とによって形成される角度差φ_ｎ＋１（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１））を演算する。一例として、図３に示すように、近似的に、角度差φ_ｎ＋１＝ｔａｎ^－１（｜Ｖ_ｎ｜Δｔ／｜ｒ_ｎ｜）で演算することも可能である。

角度比較部１３６は、時刻ｔ_ｎにおける半値角θ_ｎを記憶部１４０から読み出し、角度差φ_ｎ＋１（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１））が（θ_ｎ／２）の値よりも大きいか否かを判定する。角度差φ_ｎ＋１（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１））が（θ_ｎ／２）の値よりも大きい場合には、通信が不可能になる可能性があるために、半値角θ_ｎが大きくなるようにビーム形状を変更する情報をビーム形状制御部１３７ａに出力する。例えば、図４に示すように動作させるアンテナ素子の数を減少させて半値角θ_ｎが大きくなるようにする。アンテナ素子の減少数および配置は、記憶部１４０に記憶されている、アンテナ素子数および配置と、半値角θ_ｎとの対応関係によって決定することが可能である。また、図３に示されるように、時刻ｔ_ｎ＋１における角度差は、角度差φ_ｎ＋１＝ｔａｎ^－１（｜Ｖ_ｎ｜Δｔ／｜ｒ_ｎ｜）で近似的に演算することも可能になる。

ビーム制御部１３７は、アンテナ素子切り替え部２４０を制御するビーム形状制御部１３７ａと、振幅制御部２２０および位相制御部２３０を制御するビーム方向制御部１３７ｂを含む。

ビーム形状制御部１３７ａは、角度比較部１３６において演算された時刻ｔ_ｎにおける角度差φ_ｎ＋１（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１））が（θ_ｎ／２）よりも大きいか否かによって、アンテナ素子数を適切に選択するための情報をアンテナ素子切り替え部２４０に出力する。詳細については、図６Ｂのフローチャートにおいて説明する。

ビーム方向制御部１３７ｂは、ビーム方向を∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）だけずらすように、振幅制御部２２０にビーム振幅制御信号を出力し、位相制御部２３０にビーム位相制御信号を出力する。ビーム方向と、ビーム振幅制御信号およびビーム位相制御信号の関係は既知の技術であるために、本明細書では詳細を省略する。

モード切り替え部１５０は、ビーム形状制御部１３７ａによって、例えば、使用しないアンテナ素子が発生した場合に実行される機能を有する部分である。

例えば、図４に示したように、アンテナ素子ＡＥ＿１、アンテナ素子ＡＥ＿２、アンテナ素子ＡＥ＿５およびアンテナ素子ＡＥ＿６でアレイアンテナＡ１が構成され、動作している状態では、他のアンテナ素子が休止しており、アレイアンテナの利用効率が低下する。そこで、図７に示すように、休止している他のアンテナ素子を新たなアレイアンテナとして動作させ、ＭＩＭＯアンテナとして利用することによって、データを多重化して高速な信号伝送を実現することが可能になる。（ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ））また、休止している他のアンテナ素子を新たなアレイアンテナとして動作させ、ダイバーシティアンテナとして利用することによって、通信の安定性を向上させることが可能になる。また上述したように、個々のアレイアンテナに対して指向性を制御することも可能である。ただし、あくまで休止状態となったアンテナ素子を活用する手法であるために、すべてのアレイアンテナのビーム形状が同一の形状を取ることが可能ではない場合もある。

図７においては、アンテナ素子ＡＥ＿９、アンテナ素子ＡＥ＿１０、アンテナ素子ＡＥ＿１３およびアンテナ素子ＡＥ＿１４であらたにアレイアンテナＡ２を構成することが可能である。また、アンテナ素子ＡＥ＿３、アンテナ素子ＡＥ＿４、アンテナ素子ＡＥ＿７およびアンテナ素子ＡＥ＿８であらたにアレイアンテナＡ３を構成することが可能である。さらに、アンテナ素子ＡＥ＿１１、アンテナ素子ＡＥ＿１２、アンテナ素子ＡＥ＿１５およびアンテナ素子ＡＥ＿１６であらたにアレイアンテナＡ４を構成することが可能である。これらのあらたなアレイアンテナＡ２、アレイアンテナＡ３およびアレイアンテナＡ４は、ＭＩＭＯアンテナまたはダイバーシティアンテナとして機能させることが可能である。また、ＭＩＭＯアンテナおよびダイバーシティアンテナを混在させることも可能である。

モード切り替え部１５０は、休止状態のアンテナ素子に関する情報を制御部１３０から受信し、休止状態となったアンテナ素子をＭＩＭＯアンテナまたはダイバーシティアンテナとして適用可能か否かを判断する。なお、休止状態となったアンテナ素子をＭＩＭＯアンテナおよびダイバーシティアンテナの両方に使用する形態も可能である。モード切り替え部１５０によって判断された、休止状態となったアンテナ素子の活用法は、信号処理部１２０に出力され、信号処理部１２０は各アンテナ素子に対応する信号処理を実行する。

（アンテナ制御装置１００およびアンテナ制御システム１０００の動作例）
図６は、アンテナ制御装置１００およびアンテナ制御システム１０００の動作の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ６０１において、アンテナ装置２００およびアンテナ制御装置１００を搭載した移動局が時間間隔Δｔの間、移動する。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６０２に進む。

ステップＳ６０２において、位置情報取得部１３１は、移動局である自車両の位置をＧＮＳＳやジャイロスコープ等によって取得する。また、基地局１０の位置は、無線信号に含まれる基地局識別情報を取得し、記憶部１４０に記憶されている基地局識別情報に対応する基地局の位置情報によって取得する。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６０３に進む。

ステップＳ６０３において、位置ベクトル演算部１３２は、位置情報取得部１３１において取得された移動局位置情報および基地局位置情報から、移動局位置から基地局位置に向かう位置ベクトルを演算し、生成する。位置ベクトルは前述した時間間隔Δｔ毎に順番に生成される。位置ベクトル演算部１３２は、時刻ｔ_ｎにおける位置ベクトルを位置ベクトルｒ_ｎとし、時刻ｔ_ｎ－１の位置ベクトルを位置ベクトルｒ_ｎ－１とする。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６０４に進む。

ステップＳ６０４において、速度ベクトル演算部１３３は、位置ベクトル演算部１３２において生成された、時刻ｔ_ｎ－１の位置ベクトルｒ_ｎ－１および時刻ｔ_ｎの位置ベクトルｒ_ｎから、時刻ｔ_ｎの速度ベクトルＶ_ｎを演算し、生成する。すなわち、速度ベクトルＶ_ｎ＝（位置ベクトルｒ_ｎ－１）－（位置ベクトルｒ_ｎ）である。また、前述したように速度ベクトルＶ_ｎの絶対値は、車速パルスから演算し、生成することによって、速度ベクトルＶ_ｎの精度を向上させることも可能である。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６０５に進む。

ステップＳ６０５において、位置ベクトル推定部１３４は、速度ベクトル演算部１３３によって生成された速度ベクトルＶ_ｎに基づいて、時刻ｔ_ｎ＋１における位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定する。速度ベクトル演算部１３３によって、速度ベクトルＶ_ｎが演算されているので、位置ベクトル推定部１３４は、図３に示すように、速度ベクトルＶ_ｎを保ったまま時間間隔Δｔだけ等速直線運動したと想定して、位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定することが可能である。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６０６に進む。

ステップＳ６０６において、角度演算部１３５は、時刻ｔ_ｎにおける位置ベクトルｒ_ｎと、時刻ｔ_ｎ＋１における位置ベクトルｒ_ｎ＋１とによって形成される角度差φ_ｎ＋１（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１））を演算する。一例として、近似的に、角度差φ_ｎ＋１＝ｔａｎ^－１（｜Ｖ_ｎ｜Δｔ／｜ｒ_ｎ｜）で演算することも可能である。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６０７に進む。

ステップＳ６０７において、時刻ｔ_ｎよりもΔｔだけ前の時刻ｔ_ｎ－１におけるアレイ構成番号ｉ_ｎ－１をアレイ構成番号ｉ_ｎとし、アレイ構成番号ｉ_ｎ－１における半値角θ_ｎ－１をθ_ｎとする。時刻ｔ_ｎにおけるアレイ構成番号を示すアレイ構成番号ｉ_ｎ（ｉは１以上の自然数）は、使用されるアンテナ素子の組み合わせを示したものであり、あらかじめ定められており、記憶部１４０に記憶されている。したがって、アレイ構成番号ｉに対応する半値角θｉは決まっており、アレイ構成番号ｉが大きくなるほど、半値角θｉが広くなるように構成されている。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６０８に進む。

ステップＳ６０８において、（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）が（θ_ｎ／２）よりも大きいか否かが判定される。（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）が（θ_ｎ／２）よりも大きい場合には、通信不可能となる可能性が高いので、（θ_ｎ／２）を広くする必要性がある。（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）が（θ_ｎ／２）よりも大きい場合（ステップＳ６０８：ＹＥＳ）には、アンテナ制御装置１００はステップＳ６０９に進む。（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）が（θ_ｎ／２）よりも大きくない場合（ステップＳ６０８：ＮＯ）には、アンテナ制御装置１００はステップＳ６１２に進む。

ステップＳ６０９において、通信不可能となる可能性が高いので、アンテナ制御装置１００は半値角θが大きくなるように、アレイ構成番号をインクリメントする。すなわち、時刻ｔ_ｎのアレイ構成番号ｉ_ｎはアレイ構成番号ｉ_ｎ＝アレイ構成番号ｉ_ｎ＋１へ変更し、半値角θ_ｎは半値角θ_ｎ＝半値角θｉ_ｎ＋１へ変更する。アレイ構成番号ｉ_ｎとアレイ構成番号ｉ_ｎ＋１で使用されるアンテナ素子の数の差は１つである場合もあるし、２つ以上である場合もある。いずれにしても、アレイ構成番号ｉ_ｎ＋１で使用されるアンテナ素子の数は、アレイ構成番号ｉ_ｎで使用されるアンテナ素子の数よりも少ない。半値角θｉ_ｎ＋１は、アレイ構成番号ｉ_ｎ＋１によって使用されるアンテナ素子の数および配置によってあらかじめ定められている。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６１０に進む。

ステップＳ６１０において、時刻ｔ_ｎにおける半値角θを広げた半値角θ_ｎが、位置ベクトルｒ_ｎと位置ベクトルｒ_ｎ＋１によって形成される角度以内に収まったか否かが判定される。すなわち、（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）が（θ_ｎ／２）よりも大きい場合には、まだ通信不可能となる可能性が高いので、（θ_ｎ／２）をさらに広くする必要性がある。（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）が（θ_ｎ／２）よりも大きい場合（ステップＳ６１０：ＹＥＳ）には、アンテナ制御装置１００はステップＳ６０９に進む。（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）が（θ_ｎ／２）よりも大きくない場合（ステップＳ６１０：ＮＯ）には、通信不可能となる可能性が低いので、アンテナ制御装置１００はステップＳ６１１に進む。

ステップＳ６１１において、時刻ｔ_ｎ＋１において、（θ_ｎ／２）の角度範囲内に、位置ベクトルｒ_ｎ＋１の方向が収まる確率が高くなったので、ステップＳ６０９で代入された、アレイ構成番号ｉ_ｎおよび、半値角θ_ｎを記憶部１４０に記憶する。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６１５に進む。

ステップＳ６１２において、時刻ｔ_ｎ＋１における半値角θの範囲内に、位置ベクトルｒ_ｎ＋１が入る可能性が高いため、半値角θを狭めて、遠方通信が可能であるか否かを判定するために、アレイ構成番号および半値角θを変更する。すなわち、時刻ｔ_ｎのアレイ構成番号ｉ_ｎはアレイ構成番号ｉ_ｎ＝アレイ構成番号ｉ_ｎ－１へ変更し、半値角θ_ｎは半値角θ_ｎ＝半値角θｉ_ｎ－１へ変更する。アレイ構成番号ｉ_ｎとアレイ構成番号ｉ_ｎ－１で使用されるアンテナ素子の数の差は１つである場合もあるし、２つ以上である場合もある。いずれにしても、アレイ構成番号ｉ_ｎ－１で使用されるアンテナ素子の数は、アレイ構成番号ｉ_ｎで使用されるアンテナ素子の数よりも多い。半値角θｉ_ｎ－１は、アレイ構成番号ｉ_ｎ－１によって使用されるアンテナ素子の数および配置によってあらかじめ定められている。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６１３に進む。

ステップＳ６１３において、時刻ｔ_ｎにおける半値角θを狭めた半値角θ_ｎが、位置ベクトルｒ_ｎと位置ベクトルｒ_ｎ＋１によって形成される角度以内に収まるか否かが判定される。すなわち、（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）が（θ_ｎ／２）よりも小さい場合には、（θ_ｎ／２）をさらに狭くし、遠方通信が可能か否かを判定する。（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）が（θ_ｎ／２）よりも大きい場合（ステップＳ６１３：ＮＯ）には、アンテナ制御装置１００はステップＳ６１４に進む。（∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）が（θ_ｎ／２）よりも大きくない場合（ステップＳ６１３：ＮＯ）には、さらに、半値角θ_ｎを狭められる可能性があるので、アンテナ制御装置１００はステップＳ６１２に進む。

ステップＳ６１４において、ステップＳ６０９で代入されたアレイ構成番号ｉ_ｎおよび半値角θ_ｎでは、時刻ｔ_ｎ＋１では（θ_ｎ／２）の角度範囲内に、位置ベクトルｒ_ｎ＋１の方向が収まる確率が小さいので、アレイ構成番号および半値角を元に戻す。すなわち、アレイ構成番号ｉ_ｎ＝ｉ_ｎ＋１および、半値角θ_ｎ＝θ_ｎ＋１を記憶部１４０に記憶する。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６１５に進む。

ステップＳ６１５において、以前のステップにおいて、半値角θ_ｎに変更があれば、半値角θ_ｎに対応するアレイ構成番号のアレイ構成であるアンテナ素子をＯＮ状態にする。アンテナ素子のＯＮ／ＯＦＦの切り替えは、ビーム形状制御部１３７ａがアンテナ素子切り替え部２４０を制御して実行する。また、ビーム方向を∠（ｒ_ｎ、ｒ_ｎ＋１）だけずらすように、ビーム方向制御部１３７ｂが振幅制御部２２０および位相制御部２３０を制御する。アレイアンテナのビーム方向を振幅および位相によってずらす技術は既知の技術であるので、本明細書では詳述することを省略する。次に、アンテナ制御装置１００はステップＳ６０１に戻る。

上述してきた構成によれば、移動局と基地局との相対位置関係がどのような状態であっても、アンテナのビーム形状を変えることによって、アンテナの制御頻度を変化させることなく、安定した通信を維持し、消費電力を抑制させることが可能になる。

以下に、本実施形態のアンテナ制御装置１００およびアンテナ制御システム１０００の特徴について記載する。

本発明の第１の態様に係る基地局と無線通信する移動局に取り付けられるアンテナ制御装置１００は、時刻ｔ_ｎの移動局から基地局への位置ベクトルｒ_ｎを演算する位置ベクトル演算部１３２を含むことが好ましい。また、アンテナ制御装置１００は、時刻ｔ_ｎからあらかじめ定められた時間間隔である時間間隔Δｔが経過した後の時刻ｔ_ｎ＋１の移動局から基地局への位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定する位置ベクトル推定部１３４を含むことが好ましい。さらに、アンテナ制御装置１００は、ビーム形状制御部１３７ａを含むことが好ましい。ビーム形状制御部１３７ａは、移動局を始点とした位置ベクトルｒ_ｎと位置ベクトルｒ_ｎ＋１によって形成される角度がアレイアンテナの半値角θの１／２を超えないように、アレイアンテナにおいて使用するアンテナ素子の数を減少させることが好ましい。

上記構成によれば、移動局と基地局との相対位置関係がどのような状態であっても、アンテナのビーム形状を変えることによって、アンテナの制御頻度を変化させることなく、安定した通信を維持し、消費電力を抑制させることが可能になる。

本発明の第２の態様に係るアンテナ制御装置１００は、位置ベクトルｒ_ｎの方向が位置ベクトルｒ_ｎ＋１の方向に向くように、各アンテナ素子の位相量および振幅量を変更させるビーム方向制御部１３７ｂを備えることが好ましい。

上記構成によれば、ビーム方向制御を合わせて実行することによって、移動局の速度によらず、安定した通信を維持することが可能になる。

本発明の第３の態様に係るアンテナ制御装置１００において、ビーム方向制御部１３７ｂの制御頻度は、移動局と基地局との間の相対位置および相対速度によっては変化しないことが好ましい。

上記構成によれば、移動局と基地局が近い場合であって、移動局の速度が速い場合にも、ビーム方向制御の制御頻度を変化させる必要が無いので、アンテナ制御装置１００の消費電力を抑制させることが可能になる。

本発明の第４の態様に係るアンテナ制御装置１００において、ビーム形状制御部１３７ａの制御、および、ビーム方向制御部１３７ｂの制御は、あらかじめ定められた一定の時間間隔である時間間隔Δｔの間にそれぞれ一度ずつ実施されることが好ましい。

上記構成によれば、ビーム形状制御およびビーム方向制御の頻度をあらかじめ定められた時間間隔でそれぞれ一度ずつ実施させることが可能になるので、安定した通信を維持しながら消費電力を抑制させることが可能になる。

本発明の第５の態様に係るアンテナ制御装置１００において、ビーム形状制御部１３７ａは、移動局を始点とした位置ベクトルｒ_ｎと位置ベクトルｒ_ｎ＋１によって形成される角度が、アレイアンテナの半値角θの１／２を超えない場合には、以下の処理を実行する。当該処理は、角度がアレイアンテナの半値角θの１／２を超える手前の個数まで、アレイアンテナに使用される前記アンテナ素子の数を増加させることが好ましい。

上記構成によれば、移動局と基地局が遠ざかる場合にも、速やかにアンテナ素子の数を増加させ、アンテナ利得を上げて遠距離通信できる構成とすることが可能になる。

本発明の第６の態様に係るアンテナ制御装置１００は、時刻ｔ_ｎの移動局の速度ベクトルを演算する速度ベクトル演算部１３３を含むことが好ましい。位置ベクトル推定部１３４は、速度ベクトル演算部１３３によって演算された速度ベクトル、および、位置ベクトル演算部１３２によって演算された位置ベクトルｒ_ｎから、位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定することが好ましい。

上記構成によれば、速度ベクトル演算部１３３によって演算された速度ベクトルを使用して、位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定することになるので、位置ベクトルｒ_ｎと位置ベクトルｒ_ｎ＋１とで形成される角度をより正確に演算することが可能になる。

本発明の第７の態様に係るアンテナ制御装置１００は、時刻ｔ_ｎの移動局の速度ベクトルを演算する速度ベクトル演算部１３３を含むことが好ましい。位置ベクトル推定部１３４は、速度ベクトル演算部１３３によって演算された速度ベクトルの絶対値である速度で、位置ベクトルｒ_ｎと直交する方向に等速直線運動をしたと推定して、位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定することが好ましい。

上記構成によれば、速度ベクトルによる演算が簡素化されるので、アンテナ制御装置１００における演算待ち時間を低減し、省電力化を図ることが可能になる。また、移動局の移動速度に比較して、ビーム制御頻度が高い場合には、効率的に位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定することが可能になる。

本発明の第８の態様に係るアンテナ制御装置１００は、モード切り替え部１５０を含むことが好ましい。モード切り替え部１５０は、未使用アンテナ素子によって、新たなアレイアンテナを構成できる場合には、新たなアレイアンテナをダイバーシティアンテナ、または、ＭＩＭＯアンテナとして使用することを指示することが好ましい。

上記構成によれば、未使用のアレイアンテナをダイバーシティアンテナとして使用すれば、通信の安定性を向上させることが可能になる。また、未使用のアレイアンテナをＭＩＭＯアンテナとして使用すれば、通信データを多重化して高速な通信を達成することが可能になる。

本発明の第９の態様に係るアンテナ制御装置１００は、モード切り替え部１５０を含むことが好ましい。モード切り替え部１５０は、未使用アンテナ素子によって、新たなアレイアンテナを構成できる場合には、前記新たなアレイアンテナをダイバーシティアンテナおよびＭＩＭＯアンテナとして使用することを指示することが好ましい。

上記構成によれば、通信の安定性を向上させるとともに、通信データを多重化して高速な通信を達成することが可能になる。

本発明の第１０の態様に係るアンテナ制御システム１０００は、第１の態様から第９の態様のいずれかに記載のアンテナ制御装置１００と、移動局に取り付けられる、複数のアンテナ素子ＡＥ＿ｎから形成されるアレイアンテナ２１０を含むことが好ましい。

上記構成によれば、移動局と基地局との相対位置関係がどのような状態であっても、アンテナのビーム形状を変えることによって、アンテナの制御頻度を変化させることなく、安定した通信を維持し、消費電力を抑制させることが可能になる。

以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。また、さまざまな実施形態の一部または全部を組み合わせて新たな実施形態とすることも可能である。

１００ アンテナ制御装置
１１０ 送受信部
１２０ 信号処理部
１３０ 制御部
１３１ 位置情報取得部
１３２ 位置ベクトル演算部
１３３ 速度ベクトル演算部
１３４ 位置ベクトル推定部
１３５ 角度演算部
１３６ 角度比較部
１３７ ビーム制御部
１３７ａ ビーム形状制御部
１３７ｂ ビーム方向制御部
１４０ 記憶部
１５０ モード切り替え部
２００ アンテナ装置
２１０ アレイアンテナ
ＡＥ＿ｎ アンテナ素子
１０００ アンテナ制御システム

Claims (10)

1. 基地局と無線通信する移動局に取り付けられるアンテナ制御装置であって、
   時刻ｔ_ｎの移動局から基地局への位置ベクトルｒ_ｎを演算する位置ベクトル演算部と、
   時刻ｔ_ｎからあらかじめ定められた時間間隔である時間間隔Δｔが経過した後の時刻ｔ_ｎ＋１の前記移動局から前記基地局への位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定する位置ベクトル推定部と、
   前記移動局を始点とした前記位置ベクトルｒ_ｎと前記位置ベクトルｒ_ｎ＋１によって形成される角度が、前記アンテナ制御装置が制御するアレイアンテナの半値角θの１／２を超える場合に、前記角度が前記アレイアンテナの半値角θの１／２を超えないように、前記アレイアンテナにおいて使用するアンテナ素子の数を減少させるビーム形状制御部とを含むアンテナ制御装置。
2. 前記位置ベクトルｒ_ｎの方向が前記位置ベクトルｒ_ｎ＋１の方向に向くように、各アンテナ素子の位相量および振幅量を変更させるビーム方向制御部を備える請求項１に記載のアンテナ制御装置。
3. 前記ビーム方向制御部の制御頻度は、前記移動局と前記基地局との間の相対位置および相対速度によっては変化しない請求項２に記載のアンテナ制御装置。
4. 前記ビーム形状制御部の制御、および、前記ビーム方向制御部の制御は、あらかじめ定められた一定の時間間隔である前記時間間隔Δｔの間にそれぞれ一度ずつ実施される請求項２または３に記載のアンテナ制御装置。
5. 前記ビーム形状制御部は、前記移動局を始点とした前記位置ベクトルｒ_ｎと前記位置ベクトルｒ_ｎ＋１によって形成される角度が、前記アレイアンテナの半値角θの１／２を超えない場合には、前記角度が前記アレイアンテナの半値角θの１／２を超える手前の個数まで、前記アレイアンテナに使用される前記アンテナ素子の数を増加させる請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ制御装置。
6. 時刻ｔ_ｎの移動局の速度ベクトルを演算する速度ベクトル演算部を含み、
   前記位置ベクトル推定部は、前記速度ベクトル演算部によって演算された速度ベクトル、および、前記位置ベクトル演算部によって演算された位置ベクトルｒ_ｎから、位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアンテナ制御装置。
7. 時刻ｔ_ｎの移動局の速度ベクトルを演算する速度ベクトル演算部を含み、
   前記位置ベクトル推定部は、前記速度ベクトル演算部によって演算された速度ベクトルの絶対値である速度で、位置ベクトルｒ_ｎと直交する方向に等速直線運動をしたと推定して、位置ベクトルｒ_ｎ＋１を推定する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアンテナ制御装置。
8. 未使用アンテナ素子によって、新たなアレイアンテナを構成できる場合には、前記新たなアレイアンテナをダイバーシティアンテナ、または、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）アンテナとして使用することを指示するモード切り替え部を含む請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のアンテナ制御装置。
9. 未使用アンテナ素子によって、新たなアレイアンテナを構成できる場合には、前記新たなアレイアンテナをダイバーシティアンテナおよびＭＩＭＯアンテナとして使用することを指示するモード切り替え部を含む請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のアンテナ制御装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のアンテナ制御装置と、
    前記移動局に取り付けられる、複数のアンテナ素子から形成される前記アレイアンテナを含むアンテナ制御システム。

Images