TW201517386A - 天線指向性控制系統 - Google Patents

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TW201517386A
TW201517386A TW103130018A TW103130018A TW201517386A TW 201517386 A TW201517386 A TW 201517386A TW 103130018 A TW103130018 A TW 103130018A TW 103130018 A TW103130018 A TW 103130018A TW 201517386 A TW201517386 A TW 201517386A
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Ryuta Sonoda
Koji Ikawa
Kotaro Suenaga
Toshiki Sayama
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Asahi Glass Co Ltd
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Abstract

本發明係一種天線指向性控制系統，其包含：複數根天線(例如2根天線11、12)，其係指向性可變；測定機構(例如信號處理電路30)，其測定與上述複數根天線之接收信號有關之接收信號品質及信道品質；選擇機構(例如控制器31)，其根據上述接收信號品質之測定值及上述信道品質之測定值，自預先準備於記憶裝置之指向性圖案候補中，選擇設定於上述複數根天線元件之指向性圖案；及設定機構(例如指向性控制電路21、22)，其將所選擇之指向性圖案設定於上述複數根天線。

Description

天線指向性控制系統
本發明係關於一種天線之指向性控制系統。
作為提高通訊速度之方法，利用多天線之MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出)空間多重通訊技術。然而，於移動體通訊中，終端中之電波傳輸環境多樣化，實際上，可利用MIMO空間多重通訊之環境受到限制。
例如，於非專利文獻1中，揭示有市區中之來波之角度擴展(Angle Spread)之實測資料。表示了即便為大廈等反射物相對較多之市區，來波之角度擴展亦為30°以下，而無法獲得充分之多徑豐富之環境。
由於存在此種事實，故而於非專利文獻2中所表示之3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代移動通訊合作計劃)之標準中，除MIMO空間多重模式以外，亦設定有波束成形模式、發射分集模式、多使用者MIMO模式等共計9個傳輸模式。採用基於自基地台發射之基準信號，測定終端所放置之電波環境，而選擇適當之傳輸模式的方法。
另一方面，研究了具有指向性可變功能之多天線，作為提高通訊性能之機構之一。關於此種指向性可變天線，於專利文獻1中，揭示有指向性可變天線之指向性選擇機構，作為MIMO空間多重通訊中之提高對於電波環境變動之穩固性之機構。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2010-258579號公報
[非專利文獻]
非專利文獻1：Tetsuro Imai, etc., 「A Propagation Prediction System for Urban Area Macrocells Using Ray-tacing Methods」, NTT DoCoMo Technical Journal, Vol.6, No.1, p.41-51
非專利文獻2：3GPP TS 36.213 V10.1.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Trrestrial Radio Access (E-UTRA); Pysical layer procedures (Release10), p.26-27
非專利文獻3：多賀，「陸上移動通訊環境中之天線分集相關特性之分析」，電子資訊通訊學會論文雜誌B-II,Vol.J-73-B-II,No.12,p.883-895
非專利文獻4：唐澤，「MIMO傳輸信道模型化」，電子資訊通訊學會論文雜誌B,Vol.J-86-B,No.9,p.1706-1720
然而，專利文獻1中所揭示之方法係考慮指向性圖案間之相關之技術，以僅選擇天線間之相關低之天線構成為前提。因此，雖可於MIMO空間多重通訊中利用，但於如上所述般選擇MIMO空間多重通訊以外之傳輸模式之情形時，無法實現良好之通訊性能。
因此，本發明之目的在於提供一種可追隨電波傳輸環境之變動而選擇適當之指向性圖案之天線指向性控制系統。
為達成上述目的，提供一種天線指向性控制系統，其包含： 複數根天線，其係指向性可變；測定機構，其測定與上述複數根天線之接收信號有關之接收信號品質及信道品質；選擇機構，其根據上述接收信號品質之測定值及上述信道品質之測定值，自預先準備之複數個指向性圖案候補中，選擇設定於上述複數根天線之指向性圖案；及設定機構，其將所選擇之指向性圖案設定於上述複數根天線。
根據一態樣，可追隨電波傳輸環境之變動而選擇適當之指向性圖案。
10‧‧‧天線指向性控制系統
11、12‧‧‧天線
21、22‧‧‧指向性控制電路
30‧‧‧信號處理電路
31‧‧‧控制器(選擇機構之一例)
32‧‧‧記憶體(記憶裝置)
100‧‧‧無線通訊裝置
圖1係表示指向性控制系統之一構成例之方塊圖。
圖2係表示來波之角度擴展為100°時之信道容量之比較資料的曲線圖。
圖3係表示來波之角度擴展為10°時之信道容量之比較資料的曲線圖。
圖4係表示BF(beam forming，波束成形)模式下之信道容量之比較資料之曲線圖。
圖5係表示用以製成預先準備之指向性圖案候補之指向性模型圖案之形狀例的圖案圖。
圖6係表示用以製成預先準備之指向性圖案候補之指向性模型圖案之形狀例的圖案圖。
圖7係表示指向性圖案之選擇方法之一例之流程圖。
圖8係表示用以製成指向性圖案候補之指向性圖案之形狀例的圖案圖。
圖9係表示基於天線間之相關係數相互不同之4種指向性圖案之 測定資料，對5種角度擴展σp以MIMO模式傳輸時的SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信號對干擾加雜訊比)中的信道容量之分析資料之一例之曲線圖。
圖10係表示基於天線間之相關係數相互不同之4種指向性圖案之測定資料，對5種角度擴展σp以BF模式傳輸時之SINR中的信道容量之分析資料之一例之曲線圖。
圖11係表示以MIMO模式及BF模式傳輸時之SINR與信道容量之分析資料之一例的曲線圖。
<天線指向性控制系統之構成>
圖1係表示作為本發明之一實施形態之天線指向性控制系統10之構成例的方塊圖。天線指向性控制系統10係例如搭載於無線通訊裝置100之天線系統。作為無線通訊裝置100之例，列舉移動體本身或內置於移動體之通訊裝置。作為移動體之例，列舉可攜帶之行動終端裝置、汽車等車輛、機器人等。作為攜帶終端裝置之具體例，列舉行動電話、智慧型手機、平板型電腦等電子機器。
天線指向性控制系統10包含指向性可變之複數根天線11、12、信號處理電路30、控制器31、及複數個指向性控制電路21、22。
2根天線11、12係可接收到達之電波(來波)或發射無線通訊裝置100之信號且指向性可控制之天線。天線11、12各者之單獨之指向性圖案由對應之指向性控制電路21、22動態且獨立地控制。所謂天線指向性控制系統10中所選擇之指向性圖案，可謂選擇天線11、12各者之單獨之指向性圖案之組合。再者，亦可不獨立控制天線11、12各者之單獨之指向性圖案，而例如相位陣列天線般利用2根天線11、12控制指向性圖案。
又，複數根天線11、12之各者為了能夠控制指向性，亦可包含放 射元件(天線元件)、及控制放射元件之阻抗之阻抗控制部。阻抗控制部係例如可調整電容之電容可變電路、可調整電抗之電抗可變電路等。又，天線11、12之各者為了能夠控制指向性，亦可包含相位陣列天線。
信號處理電路30係處理藉由天線11、12接收來波而獲得之接收信號、或處理無線通訊裝置100之發射信號之電路。信號處理電路30係對例如由天線11、12獲得之接收信號，進行放大及AD(Analog-Digital，類比-數位)轉換等高頻處理或基頻處理之電路。
信號處理電路30包含測定機構，該測定機構測定與天線11、12之接收信號有關之接收信號品質、及與天線11、12之接收信號有關之信道品質。
作為與天線11、12之接收信號有關之接收信號品質之一例，列舉SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)。然而，與天線11、12之接收信號有關之接收信號品質根據應用天線指向性控制系統10之通訊方式，亦可為其他指標。例如，於應用於LTE(Long Term Evolution，長期演進)方式之情形時，列舉SIR(Signal to Interference Ratio，信號對干擾比)、RSSI(Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示符)、RSRP(Reference Signal Received Power，參考信號接收功率)、RSRQ(Reference Signal Received Quality，參考信號接收質量)等。於應用於W-CDMA(Wideband Code Division Multiple Access，寬頻碼分多重存取)方式之情形時，列舉RSCP(Received Signal Code Power，接收信號碼功率)等。
作為與天線11、12之接收信號有關之信道品質之一例，列舉信道資訊(CSI：Channel State Information)、秩(rank)等。然而，與天線11、12之接收信號有關之信道品質根據應用天線指向性控制系統10之通訊方式，亦可為其他指標。例如，於應用於LTE方式之情形時， CQI(Channel Quality Indicator，信道品質指示符)、PMI(Pre-coding Matrix Indicator，預譯碼矩陣指示符)、RI(Rank Indicator，秩指示符)等。
控制器31自預先準備並儲存於記憶體32之指向性圖案候補中，選擇設定於天線11、12之指向性圖案，並對指向性控制電路21、22輸出與所選擇之指向性圖案對應之控制信號。預先儲存於記憶體32之指向性圖案候補係用以於天線11、12之各者獨立地實現複數個不同指向性圖案之圖案資料，且係天線11、12之各者之單獨之指向性圖案之組合之資料。控制器31係例如具有CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)之微電腦。記憶體32係設置於控制器31之內部或外部之記憶裝置。
控制器31係根據與天線11、12之接收信號有關之接收信號品質之測定值及信道品質之測定值，自預先準備之複數個指向性圖案候補中，選擇設定於天線11、12之指向性圖案的選擇機構之一例。
指向性控制電路21、22係根據自控制器31指令之控制信號，將由控制器31選擇之指向性圖案設定於天線11、12的設定機構之一例。指向性控制電路21、22包含例如天線11、12之電抗可變電路。
因此，由於根據與天線11、12之接收信號有關之接收信號品質之測定值及信道品質之測定值，自複數個指向性圖案候補中選擇設定於天線11、12之指向性圖案，故而可追隨電波傳輸環境之變動而選擇適當之指向性圖案。例如，將接收信號品質之測定值設為Msq，將信道品質之測定值設為Mcq。
例如，控制器31於Msq為第1閾值以上且Mcq為第2閾值以上之情形時，自記憶體32內之指向性圖案候補中選擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係天線11、12間之相關係數ρe低於Mcq未達第2閾值之情形時選擇之指向性圖案。
例如，控制器31於Msq未達第1閾值且Mcq未達第2閾值之情形時，自記憶體32內之指向性圖案候補中選擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係天線11、12間之相關係數ρe高於Mcq為第2閾值以上之情形時選擇之指向性圖案且天線11、12之合成增益高於特定之增益值。
例如，控制器31於Msq為第1閾值以上且Mcq未達第2閾值之情形時，自記憶體32內之指向性圖案候補中選擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係天線11、12間之相關係數ρe高於Mcq為第2閾值以上之情形時選擇之指向性圖案。
例如，控制器31於Msq未達第1閾值且Mcq為第2閾值以上之情形時，自記憶體32內之指向性圖案候補中選擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係天線11、12間之相關係數ρe低於Mcq未達第2閾值之情形時選擇之指向性圖案且天線11、12之合成增益高於特定之增益值。
<相關係數ρe之定義>
其次，對基於指向性圖案之天線間之相關係數ρe進行說明。基於指向性圖案之天線間之相關係數ρe可藉由例如式1導出(例如參照非專利文獻3)。
於式1中，假定不同指向性之2根天線分別具有充分大之交叉極化波識別度(Cross Polarization Discrimination，XPD)，且垂直極化波成分之指向性圖案為支配性。由於原來之文獻所示出之式考慮交叉極化波而較為複雜，故而式1僅假定垂直極化波而得以簡略化。
E1、E2表示天線之複電場指向性，P表示來波之角度分佈，k表示波數，x表示天線間之相位差。θ表示仰角，表示水平面內之角度。E1、E2、P係角度θ、之函數。
於本發明之實施形態中，將來波之角度分佈P(θ，)設為「Pt(θ)×Pp()」，Pt(θ)設為相對於仰角θ之常態分佈，Pp()設為相對於水平面內角度之常態分佈。
將來波之角度分佈P(θ，)之平均之角度稱為平均到達角，將相對於仰角方向之平均到達角設為mt，將相對於水平面內方向之平均到達角設為mp。平均到達角表示自複數個方位到達之電波自哪方向到達之概率較高。
將來波之角度分佈P(θ，)之成為標準偏差之角度稱為角度擴展，將相對於仰角方向之角度擴展設為σt，將相對於水平面內方向之角度擴展設為σp。角度擴展表示複數個電波之到達角集中於平均到達角周邊之程度。
因此，對本發明之實施形態中之相關係數，使來波之角度任意變化，而算出各平均到達角中之相關係數，從而應用將其等平均所得之平均相關係數。相關係數表示天線間之相關性之尺度。
<信道容量之定義>
其次，對信道容量進行說明。所謂信道容量，表示在某一頻率之傳輸信道中，可不受干擾而多重化之信號之密度。於信道容量較高之情形時，若發射不同資訊，則通訊速度提高，若發射同一資訊，則可改善接收側之SN(signal to noise，信號對雜訊)比。
發射側之傳輸環境資訊已知，且可進行最佳之發射電力分配之情形時之信道容量C由式2表示。
[數2]
λi係傳輸矩陣之第i個固有值，M0表示傳輸矩陣之秩(階數，rank)。又，信道容量C一般較多由單一天線之特性標準化，γ0表示損耗1之傳輸路徑中之由單一天線接收之情形時之SN比。
於γ0充分高之情形時，若對各固有路徑分配相等之電力則獲得充分之多重化增益，於γ0較低之情形時，對最大固有值之路徑分配總電力可期待最大比合成之SN比之改善(參照非專利文獻4)。
γi表示各固有路徑中之SN比。於電力之分配不同之情形之間賦予γi之合計值相互相等之條件，藉此可設為比較電力之分配不同之情形時之規範。
將MIMO空間多重模式下之各固有路徑之SN比設為γi=γ0/M0(1≦i≦M0)，將波束成形模式下之各固有路徑之SN比設為γi=γ0(i=1)、γi=0(1<i≦M0)。
於本發明之實施形態中，根據電波到達之角度(到達角)之分佈條件(到達角分佈條件)，使複數個電波之一個一個(元波)之到達角以隨機數產生，將各元波複數合成，藉此求出傳輸矩陣。
因衰減所致之傳輸矩陣之變動係藉由使元波之初始相位變化而求出。元波之初始相位設為均勻分佈。設為包含天線之移動體移動，而算出50個地點中之傳輸矩陣。
又，算出同一路徑環境中，以單一之無指向性天線接收之情形時之50個地點之平均接收電力，而將傳輸矩陣標準化。將使用該傳輸 矩陣之固有值基於式2算出之信道容量C設為50個地點之瞬時信道容量。將衰減環境中之平均之通訊性能指標設為將50個地點之瞬時信道容量平均所得之值(平均信道容量)。
本實施形態之天線指向性控制系統係藉由進行與接收信號品質及信道品質相應之控制而使通訊性能提高之系統。作為表達信道品質之變動即多路徑環境之變化之方法，可利用使到達角分佈之角度擴展變化之情況。因此，使具有不同之到達角分佈之角度擴展之來波的入射角度任意變化，算出各平均到達角中之平均信道容量。而且，將作為所算出之平均信道容量中之最大值之最大信道容量應用於本實施形態中之信道容量。信道容量表示天線間之通訊性能指標。
<指向性圖案與傳輸模式之關係>
其次，對指向性圖案與傳輸模式之關係進行說明。圖2及圖3係表示以相同指向性圖案，於以MIMO空間多重模式(MIMO模式)傳輸時及以波束成形模式(BF模式)傳輸時獲得之信道容量之比較資料的曲線圖。圖2係表示將水平面內之角度擴展σp之假定值設定為100°之情形時SINR與信道容量之關係的模擬資料。圖3係表示將水平面內之角度擴展σp之假定值設定為10°之情形時SINR與信道容量之關係的模擬資料。
再者，對圖2、3及4中之來波，假定為自水平面內到達之波較多，將來波之仰角方向之角度分佈Pt(θ)之平均到達角mt設為90°(於將天頂方向設為0°，將大地面方向設為180°之情形時)，並將角度擴展σt設為10°。
又，於選定圖2、3及4之例之指向性圖案時，假定可獲得適於MIMO空間多重通訊之充分之多路徑之環境，無論圖2、3及4之條件如何均將來波之水平面內之角度分佈Pp()之角度擴展σp的假定值設為100°。而且，使平均到達角mp以10°間隔自0°變化36種至350°，使 用對該等平均到達角之各者算出之相關係數之平均值，而選定圖2、3及4之例之指向性圖案。
又，對圖2、3及4中之信道容量，使水平面內之平均到達角mp以30°間隔自0°變化至330°，算出12種平均信道容量，並求出作為其等中之大值之最大信道容量。角度擴展σp之假定值於圖2中為100°，於圖3及4中為10°。
所謂SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)，係於多單元環境中，考慮周邊單元之干擾之接收信號電力對干擾及雜訊電力比。SINR係由SINR=S/(I+N)
定義之通訊品質指標。S表示接收信號電力，I表示干擾電力，N表示雜訊電力。
圖2、3表示對於天線間之相關係數相互不同且相關係數低之5種指向性圖案，MIMO模式及BF模式之各者中信道容量相對於SINR之分析資料。再者，此處之信道容量設為不存在干擾電力者，使用式(2)而算出。
於圖2、3中，表示即便複數根天線11、12之單獨之指向性圖案之組合相同，即，即便為同一指向性圖案，於傳輸模式為MIMO模式之情形及BF模式之情形時，信道容量亦變化。再者，由於相關係數係作為天線之性能，故而於同一指向性圖案之情形時，相關係數相同。
因此，根據圖2、3，於高SINR環境中，即便為相同指向性圖案，MIMO模式下之信道容量亦大於BF模式下之信道容量，於低SINR環境中，BF模式下之信道容量大於MIMO模式下之信道容量。
又，根據圖2、3，於高SINR環境中，水平面內之角度擴展σp較大時之MIMO模式下之信道容量大於水平面內之角度擴展σp較小時。又，根據圖2、3，於低SINR環境中，水平面內之角度擴展σp較小時 之BF模式下之信道容量大於水平面內之角度擴展σp較大時。
即，於高SINR環境且角度擴展σp較大之環境(即，可獲得充分之多路徑之環境)之情形時，藉由利用適於MIMO模式之傳輸之指向性圖案傳輸資訊，可提高信道容量。MIMO模式由於係藉由複數根天線同時傳輸複數個不同資訊之方式，故而較佳為複數根天線間之相關係數低。因此，所謂適於MIMO模式之傳輸之指向性圖案，係複數根天線間之相關係數低之指向性圖案。再者，於MIMO模式之情形時，由於只要為獲得充分之多路徑之環境便可確保良好之通訊，故而並非相關係數越低越佳，只要低於某一固定之相關係數即可。
另一方面，於低SINR環境且角度擴展σp較小之環境(即，無法獲得充分之多路徑之環境)之情形時，藉由利用適於BF模式之傳輸之指向性圖案傳輸資訊，可提高信道容量。BF模式由於係藉由指向性朝向最大增益方向之複數根天線同時傳輸相同資訊之方式，故而較佳為複數根天線間之相關係數高且複數根天線之合成增益之最大值高。因此，所謂適於BF模式之傳輸之指向性圖案，係複數根天線間之相關係數高且複數根天線之合成增益高之指向性圖案。
例如，於圖4中，表示對於低SINR環境中天線間之相關係數相互不同且相關係數低之5種指向性圖案及相關係數高之5種指向性圖案之合計10種天線對，以BF模式傳輸時之信道容量之模擬資料。圖4係表示於將水平面內之角度擴展σp之假定值設定為10°之情形時SINR與信道容量之關係之模擬資料。如圖4所示，於低SINR環境中天線間之相關係數高時之BF模式下之信道容量大於天線間之相關係數低時。
又，對於水平面內之角度擴展σp，能夠以秩進行評價。所謂秩(rank)，係根據測定時間點之信道狀況成為最大之資料率之秩指示符(Rank Indicator：RI)之值，表示可進行平行傳輸之信號序列數。即，於水平面內之角度擴展σp較寬之狀態時，可進行平行傳輸之信號序列 數增加，而秩提高。相反，於水平面內之角度擴展σp較窄之狀態時，可進行平行傳輸之信號序列數減少，而秩降低。
再者，秩可如下所述般算出。於LTE系統中，可使用自基地台發射之參考信號(Reference Signals)，推定信道。自該被推定出之信道矩陣，導出相關矩陣，而算出該相關矩陣之階數(秩)。
因此，控制器31較佳為根據與由複數根天線獲得之接收信號有關之SINR之測定值及秩之測定值，基於例如表1之關係，選擇設定於天線11、12之指向性圖案。
表1係表示控制器31之指向性圖案之選擇方法之一例的表。SINR及秩例如由信號處理電路30測定。
控制器31於例如SINR之測定值為特定之閾值TH1以上且秩之測定值為2以上之情形時，選擇天線11、12間之相關低於指向性群A或C之指向性圖案(指向性群D)。若秩之測定值為2以上，則可推定包圍移動體之實際之環境係角度擴展σp超過例如30°之環境(即，可獲得充分之多路徑之環境)。因此，藉由以此方式選擇，於高SINR環境且角度擴展σp較大之環境(即，可獲得充分之多路徑之環境)中，可選擇適於MIMO空間多重模式下之傳輸之指向性圖案，從而可提高信道容量。
另一方面，控制器31於例如SINR之測定值未達閾值TH2且秩之測定值為1之情形時，選擇天線11、12間之相關高於指向性群D或B且天線11、12之合成增益之最大值高於特定之增益值G1的指向性圖案 (指向性群A)。只要秩之測定值為1，便可推定包圍移動體之實際之環境係角度擴展σ為例如30°以下之環境(即，無法獲得充分之多路徑且信號亦較弱之環境)。因此，藉由以此方式選擇，於低SINR環境且角度擴展σp較小之環境(即，無法獲得充分之多路徑且信號亦較弱之環境)中，可選擇適於BF模式下之傳輸之指向性圖案，從而可提高信道容量。閾值TH2可為與閾值TH1相同之值亦可為不同之值。
又，控制器31於例如SINR之測定值為特定之閾值TH3以上且秩之測定值為1之情形時，可選擇天線11、12間之相關高於指向性群D或B之指向性圖案(指向性群C)。多使用者MIMO模式(SDMA(Space-Division Multiple Access，分空間多工存取)模式)由於係複數個終端利用一個基地台於同一時刻使用同一頻率之傳輸方式，故而較佳為複數根天線間之相關係數高。因此，藉由以此方式選擇，於高SINR環境且角度擴展σp較小之環境(即，雖無法獲得充分之多路徑但信號較強之環境)中，可選擇適於多使用者MIMO模式(SDMA模式)下之傳輸之指向性圖案，從而可提高信道容量。閾值TH3可為與閾值TH1相同之值亦可為不同之值。
又，控制器31於例如SINR之測定值未達特定之閾值TH4且秩之測定值為2以上之情形時，可選擇天線11、12間之相關低於指向性群A或C且天線11、12之合成增益之最大值高於特定之增益值G2之指向性圖案(指向性群B)。發射分集模式由於係選擇複數根天線中增益高之天線或將各接收信號合成而傳輸之方式，故而較佳為複數根天線間之相關係數低且複數根天線之合成增益之最大值高。因此，藉由以此方式選擇，於低SINR環境且角度擴展σp較大之環境(即，雖可獲得某種程度之多路徑但信號較弱之環境)中，可選擇適於發射分集模式下之傳輸之指向性圖案，從而可提高信道容量。閾值TH4可為與閾值TH1相同之值亦可為不同之值。增益值G2可為與增益值G1相同之值 亦可為不同之值。
<指向性圖案候補之製成例1>
屬於複數個指向性群A、B、C、D之各者之指向性圖案係預先儲存於記憶體32之指向性圖案候補。其次，對預先儲存於記憶體32之指向性圖案候補之製成例進行說明。
圖5及圖6係表示用以製成預先儲存於記憶體32之指向性圖案候補(換言之，可設定於天線11、12之各者之指向性圖案)之指向性模型圖案之形狀例的圖案圖。各圖概念性地表示設置有天線11、12之平面中之特定之極化波成分、例如XY平面中之垂直極化波成分之指向性圖案。
決定圖示之各指向性模型圖案之形狀之圖案資料係預先製成之資料，於本發明之實施形態中，天線11、12之各者使用作為陣列天線之陣列天線模型。再者，天線11、12之各者之指向性控制亦可為利用無供電元件之指向性控制方法之模型、或者利用阻抗控制元件之方法或機械控制方法之模型。
具體而言，製成指向性圖案相互不同之8種陣列天線模型1~8，並製成將陣列天線模型1~8中之2個陣列天線模型組合而成之64種天線對。該等2個陣列天線模型分別相當於天線11之天線模型與天線12之天線模型。而且，使64種天線對之各者所包含之2根天線模型之各者之主波束之方向產生7種(-90°、-60°、-30°、0°、30°、60°、90)變化。藉此，可對64種天線對之各者製成28(=7+1C2)種指向性圖案。因此，可預先製成1792(=64×28)種指向性模型圖案。
而且，可選定1792種指向性模型圖案中之可獲得特定之信道容量(例如前10個信道容量)之指向性模型圖案作為預先儲存於記憶體32之指向性圖案候補。
例如，屬於指向性群D之指向性圖案候補係於將傳輸模式設定為 MIMO空間多重模式，且將SINR之假定值設定為特定之閾值TH1以上且將秩之假定值設定為2以上之模型環境ED中，自1792種指向性模型圖案中選定。於模型環境ED中，選定特定之信道容量以上之指向性模型圖案作為屬於指向性群D之指向性圖案候補。再者，若自天線11、12間之相關係數低於特定值之模型圖案中選定則效率高，故而較佳。
又，例如，屬於指向性群A之指向性圖案候補係於將傳輸模式設定為BF模式，且將SINR之假定值設定為未達特定之閾值TH2且將秩之假定值設定為1之模型環境EA中，自1792種指向性模型圖案中選定。於模型環境EA中，選定特定之信道容量以上之指向性模型圖案作為屬於指向性群A之指向性圖案候補。再者，若自天線11、12間之相關係數高於特定值且天線11、12之合成增益高於特定之增益值G1之模型圖案中選定則效率高，故而較佳。
又，例如，屬於指向性群C之指向性圖案候補係於將傳輸模式設定為多使用者MIMO模式(SDMA模式)，且將SINR之假定值設定為特定之閾值TH3以上且將秩之假定值設定為1之模型環境EC中，自1792種指向性模型圖案中選定。於模型環境EC中，選定特定之信道容量以上之指向性模型圖案作為屬於指向性群C之指向性圖案候補。再者，若自天線11、12間之相關係數高於特定值之模型圖案中選定則效率較高，故而較佳。
又，例如，屬於指向性群B之指向性圖案候補係於將傳輸模式設定為發射分集模式，且將SINR之假定值設定為未達特定之閾值TH4且將秩之假定值設定為2以上之環境EB中，自1792種指向性模型圖案中選定。於模型環境EB中，選擇特定之信道容量以上之指向性模型圖案作為屬於指向性群B之指向性圖案候補。再者，若自天線11、12間之相關係數低於特定之係數值且天線11、12之合成增益高於特定之增益值G2之模型圖案中選定則效率較高，故而較佳。
表2係例示出預先儲存於記憶體32之屬於指向性群A之指向性圖案候補之表。形狀圖案A1、A2、A3、A4係自1792種指向性模型圖案中以上述方式選定之4個指向性模型圖案。進而，角度圖案A1-1、A1-2、‧‧‧A1-12之各者具有形狀相互相同且僅波峰增益方向相互不同之形狀圖案。例如，形狀圖案A1包含波峰增益方向每隔30°不同之12個角度圖案A1-1、A1-2、‧‧‧A1-12。因此，於表2之情形時，將48(=12×4)種指向性圖案作為屬於指向性群A之指向性圖案候補，預先儲存於記憶體32。
屬於其他指向性群B、C、D之各者之指向性圖案候補亦與屬於指向性群A之指向性圖案候補同樣地，預先儲存於記憶體32。
<指向性圖案之選擇與設定>
控制器31於例如選擇屬於指向性群A之指向性圖案候補作為設定於天線11、12之指向性圖案之情形時，必須特定出所選擇之屬於指向性群A之指向性圖案候補中最佳之指向性圖案。於此情形時，控制器31將所選擇之屬於指向性群A之指向性圖案候補分別依序設定於天線11、12。信號處理電路30測定設定有屬於指向性群A之各指向性圖案候補之每天線11、12之接收信號之SINR。控制器31將所選擇之屬於指向性群A之指向性圖案候補中SINR之測定值最大之指向性圖案選擇為設定於天線11、12之指向性圖案。藉此，可將於目前之環境中最能 獲得信道容量之指向性圖案設定於天線11、12。
選擇屬於其他指向性群B、C、D之指向性圖案候補作為設定於天線11、12之指向性圖案之情形亦相同。
圖7係表示藉由天線指向性控制系統10實施之指向性圖案之選擇方法之一例的流程圖。
於步驟S10中，若無線通訊裝置100藉由電源輸入而啟動，則控制器31選擇預先記憶於記憶體32之基準指向性圖案，指向性控制電路21、22將所選擇之基準指向性圖案設定於天線11、12。
於步驟S20中，信號處理電路30測定藉由設定有基準指向性圖案之天線11、12獲得之接收信號之SINR。於步驟S30中，在SINR之測定值相對於上次之測定值變動特定之變動幅度以上之情形時，實施步驟S40，於SINR之測定值未相對於上次之測定值變動特定之變動幅度以上之情形時，再次實施步驟S20。
於步驟S40中，控制器31判定SINR之測定值是否為特定之閾值以上，於SINR之測定值為特定之閾值以上之情形時，實施步驟S50，於SINR之測定值未達特定之閾值之情形時，實施步驟S250。
控制器31於由步驟S50獲得之秩之測定值為2以上之情形時，對設定於天線11、12之指向性圖案，選擇適於MIMO空間多重模式之指向性群D(步驟S70)。此時，控制器31將與表2同樣地預先儲存於記憶體32之指向性群D之形狀圖案D1、D2、D3、D4中例如波峰增益方向0°之角度圖案D1-1~D4-1依序設定於天線11、12，並測定設定有各角度圖案D1-1~D4-1之每天線11、12之接收信號之SINR。控制器31將所選擇之屬於指向性群D之角度圖案D1-1~D4-1中SINR之測定值最大之角度圖案所屬的形狀圖案決定為設定於天線11、12之暫時的指向性圖案。
例如，設為由步驟S70決定之暫時之指向性圖案為形狀圖案D1。 於步驟S80中，控制器31進行使由步驟S70選擇之形狀圖案D1之角度變化之角度掃描，而特定出SINR之測定值成為最大之指向性圖案。
例如，控制器31進行如下角度掃描，即，將與表2同樣地預先儲存於記憶體32之屬於形狀圖案D1之複數個角度圖案(例如形狀相互相同且僅波峰增益方向相互不同之12個角度圖案D1-1~D1-12)依序設定於天線11、12。信號處理電路30測定設定有屬於形狀圖案D1之各角度圖案D1-1~D1-12之每天線11、12之接收信號之SINR。控制器31特定出屬於所選擇之形狀圖案D1之角度圖案中SINR之測定值最大的角度圖案作為設定於天線11、12之指向性圖案。
再者，於MIMO空間多重模式之情形時，由於假定可獲得充分之多路徑之秩為2以上，且水平面內之角度擴展σp較寬，故而亦可省略步驟S80之角度掃描。
於步驟S90中，指向性控制電路21、22將所特定出之角度圖案設定於天線11、12。藉此，可將於目前之環境中可獲得最高之信道容量之指向性圖案設定於天線11、12。於步驟S90後，利用步驟S100返回至步驟S20，而再次執行步驟S20之處理。
另一方面，控制器31於由步驟S50獲得之秩之測定值未達2之情形時，對設定於天線11、12之指向性圖案，選擇適於多使用者MIMO模式(SDMA模式)之指向性群C(步驟S170)。對於步驟S180至S200之說明，由於係與步驟S80至S100同樣之處理，故而省略。
另一方面，控制器31於由步驟S250獲得之秩之測定值為2以上之情形時，對設定於天線11、12之指向性圖案，選擇適於發射分集模式之指向性群B(步驟S270)。對於步驟S280至S300之說明，由於係與步驟S80至S100同樣之處理，故而省略。
同樣地，控制器31於由步驟S250獲得之秩之測定值未達2之情形時，對設定於天線11、12之指向性圖案，選擇適於BF模式之指向性群A(步驟S370)。對於步驟S380至S400之說明，由於係與步驟S80至S100同樣之處理，故而省略。
<指向性圖案候補之製成例2>
上述之製成例1係基於電腦上之天線模型製成指向性圖案候補之例。製成例2係基於使用實際製作之天線、及控制該天線之指向性之控制電路而獲得之複數個指向性圖案，製成預先儲存於記憶體32之指向性圖案候補之例。
圖8係表示用以製成預先儲存於記憶體32之指向性圖案候補之指向性圖案之形狀例的圖案圖。圖8概念性地表示設置有實際製作之天線11、12之平面中之特定之極化波成分、例如XY平面中之垂直極化波成分之指向性圖案。
圖8表示藉由控制電路以主波束之方向相互不同之方式控制天線之指向性而獲得的7種指向性圖案。主波束之方向係具有自-90°至90°之不同方向之7種。藉由將該等7種指向性圖案應用於相互同一形態之天線11、12之各者，獲得可藉由天線11、12之指向性之控制產生之28(=7+1C2)種合成指向性圖案。
圖9係表示利用基於指向性圖案之測定資料之天線間之相關係數相互不同之4種指向性圖案對5種角度擴展σp以MIMO模式傳輸時的SINR中之信道容量之分析資料之一例的曲線圖。圖10係表示利用基於指向性圖案之測定資料之天線間之相關係數相互不同之4種指向性圖案對5種角度擴展σp以BF模式傳輸時的SINR中之信道容量之分析資料之一例的曲線圖。圖9、10表示水平面內之角度擴展σp為10°、30°、50°、100°、200°之5種情形。
於圖9、10中，所謂「Dir # 1 Dir # 7」，表示將圖8所示之指向性圖案Dir # 1設定於天線11，且將指向性圖案Dir # 7設定於天線12時之分析資料。對於「Dir # 3 Dir # 6」、「Dir # 4 Dir # 5」、及「Dir # 1 Dir # 1」亦為相同之含義。天線11、12間之相關係數依照「Dir # 1 Dir # 7」、「Dir # 3 Dir # 6」、「Dir # 4 Dir # 5」、「Dir # 1 Dir # 1」之順序提高。
設定有該等4種指向性圖案之天線11、12間之相關係數係使平均到達角mp以10°間隔自0°變化36種至350°，而對於該等平均到達角之各者基於式3算出之相關係數的平均值。
以上所揭示之式1係僅考慮垂直極化波之簡略式，但式3係考慮垂直極化波與水平極化波之兩者之式。XPR表示交叉極化波電力比，Eθn(Ω)E* θn(Ω)、(Ω)(Ω)表示天線之複電場指向性(n=1、2)。Pθ(Ω)、P (Ω)表示來波之角度分佈，β表示波數，x表示天線間之相位差。θ表示仰角，表示水平面內之方位角。Ω表示球面座標系中之座標點(θ，)。關於式3之詳細情況，已於例如非專利文獻3中詳細說明。
又，使水平面內之平均到達角mp以10°間隔自0°變化至350°，算出36種平均信道容量，圖9、10中之信道容量表示其等中之最大值(最大信道容量)。
如圖9所示，於以MIMO模式傳輸之情形時，越是相關係數低之天線之組合，越可提高信道容量。而且，越是角度擴展σp變大之環境(即，可獲得充分之多路徑之環境)，越可提高信道容量。
另一方面，如圖10所示，於以BF模式傳輸之情形時，越是相關係數高之天線之組合，可越提高信道容量。而且，越是角度擴展σp變小之環境(即，無法獲得充分之多路徑之環境)，越可提高信道容量。
圖11係表示以MIMO模式及BF模式傳輸時之SINR與信道容量之分析資料之一例的曲線圖。圖11表示水平面內之角度擴展σp為10°、30°、50°、100°、200°之5種情形。圖11所示之MIMO模式之分析資料表示利用由圖8獲得之28種合成指向性圖案中依照相關係數降低之順序拾取之5種指向性圖案傳輸的情形。圖11所示之BF模式之分析資料表示利用由圖8獲得之28種合成指向性圖案中依照相關係數提高之順序拾取之5種指向性圖案傳輸的情形。
例如，將以此方式拾取之5種指向性圖案作為指向性圖案候補儲存於記憶體32。又，水平面內之角度擴展σp越大，秩越高。
因此，根據圖11，控制器31於例如SINR之測定值為特定之第1閾 值th1以上且秩之測定值為特定之第2閾值th2以上之情形時，可藉由使用上述5種低相關之指向性圖案中之任一者以MIMO模式傳輸，提高信道容量。
又，控制器31於例如SINR之測定值未達特定之第1閾值th1且秩之測定值未達特定之第2閾值th2之情形時，可藉由使用上述5種高相關之指向性圖案中之任一者以BF模式傳輸，提高信道容量。
以上，藉由實施形態例對天線指向性控制系統進行了說明，但本發明並不限定於上述實施形態例。可於本發明之範圍內，進行與其他實施形態例之一部分或全部之組合或置換等各種變化及改良。
例如，本發明亦可應用於包含3根以上之天線之情形。
又，表1所例示之指向性圖案候補藉由將用以判別SINR之測定值之大小之閾值設定為1個，且將用以判別秩之測定值之大小之閾值設定為1個，被分為4個指向性群。然而，藉由將用以判別SINR之測定值之大小之閾值設定為2個以上，或將用以判別秩之測定值之大小之閾值設定為2個以上，指向性圖案候補亦可被分為超過4個之數之指向性群。
本發明之國際申請案係主張基於在2013年8月29日申請之日本專利申請案第2013-178670號之優先權者，並將日本專利申請案第2013-178670號之所有內容援用於本國際申請案。
10‧‧‧天線指向性控制系統
11、12‧‧‧天線
21、22‧‧‧指向性控制電路
30‧‧‧信號處理電路
31‧‧‧控制器(選擇機構之一例)
32‧‧‧記憶體(記憶裝置)
100‧‧‧無線通訊裝置

Claims (12)

  1. 一種天線指向性控制系統，其包含：複數根天線，其係指向性可變；測定機構，其測定與上述複數根天線之接收信號有關之接收信號品質及信道品質；選擇機構，其根據上述接收信號品質之測定值及上述信道品質之測定值，自預先準備之複數個指向性圖案候補中，選擇設定於上述複數根天線之指向性圖案；及設定機構，其將所選擇之指向性圖案設定於上述複數根天線。
  2. 如請求項1之天線指向性控制系統，其中上述選擇機構係於上述接收信號品質之測定值為第1閾值以上且上述信道品質之測定值為第2閾值以上之情形時，自上述指向性圖案候補中選擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係上述複數根天線間之相關性低於上述信道品質之測定值未達第2閾值之情形時選擇之指向性圖案。
  3. 如請求項1或2之天線指向性控制系統，其中上述選擇機構於上述接收信號品質之測定值未達第1閾值且上述信道品質之測定值未達第2閾值之情形時，自上述指向性圖案候補中選擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係上述複數根天線間之相關性高於上述信道品質之測定值為第2閾值以上之情形時選擇之指向性圖案、且上述複數根天線之合成增益高於特定之增益值。
  4. 如請求項1至3中任一項之天線指向性控制系統，其中上述選擇機構於上述接收信號品質之測定值為第1閾值以上且上述信道品質之測定值未達第2閾值之情形時，自上述指向性圖案候補中選 擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係上述複數根天線間之相關性高於上述信道品質之測定值為第2閾值以上之情形時選擇之指向性圖案。
  5. 如請求項1至4中任一項之天線指向性控制系統，其中上述選擇機構於上述接收信號品質之測定值未達第1閾值且上述信道品質之測定值為第2閾值以上之情形時，自上述指向性圖案候補中選擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係上述複數根天線間之相關性低於上述信道品質之測定值未達第2閾值之情形時選擇之指向性圖案且上述複數根天線之合成增益高於特定之增益值。
  6. 如請求項1至5中任一項之天線指向性控制系統，其中上述選擇機構基於將自上述指向性圖案候補中選擇之複數個指向性圖案分別設定於上述複數根天線時的上述接收信號品質之測定值，自上述所選擇之複數個指向性圖案中，選擇設定於上述複數根天線之指向性圖案。
  7. 如請求項6之天線指向性控制系統，其中設定於上述複數根天線之指向性圖案係上述所選擇之複數個指向性圖案中之上述接收信號品質之測定值最大之指向性圖案。
  8. 如請求項7之天線指向性控制系統，其中設定於上述複數根天線之指向性圖案係使上述所選擇之複數個指向性圖案之角度變化而使上述接收信號品質之測定值成為最大之指向性圖案。
  9. 如請求項1或2之天線指向性控制系統，其中上述接收信號品質係信號對干擾加雜訊比(SINR)，上述信道品質係秩(rank)，上述選擇機構於SINR之測定值為第1閾值以上且秩之測定值為2以上之情形時，自上述指向性圖案候補中選擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係上述複數根天線間之相關性低於秩之 測定值為1之情形時選擇之指向性圖案。
  10. 如請求項1或3之天線指向性控制系統，其中上述接收信號品質係SINR，上述信道品質係秩，上述選擇機構於SINR之測定值未達第1閾值且秩之測定值為1之情形時，自上述指向性圖案候補中選擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係上述複數根天線間之相關性高於秩之測定值為2以上之情形時選擇之指向性圖案且上述複數根天線之合成增益高於特定之增益值。
  11. 如請求項1或4之天線指向性控制系統，其中上述接收信號品質係SINR，上述信道品質係秩，上述選擇機構於SINR之測定值為第1閾值以上且秩之測定值為1之情形時，自上述指向性圖案候補中選擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係上述複數根天線間之相關性高於秩之測定值為2以上之情形時選擇之指向性圖案。
  12. 如請求項1或5之天線指向性控制系統，其中上述接收信號品質係SINR，上述信道品質係秩，上述選擇機構於SINR之測定值未達第1閾值且秩之測定值為2以上之情形時，自上述指向性圖案候補中選擇如下指向性圖案，即，該指向性圖案係上述複數根天線間之相關性低於秩之測定值為1之情形時選擇之指向性圖案且上述複數根天線之合成增益高於特定之增益值。
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