WO2020012591A1 - 方向推定装置及び無線装置 - Google Patents

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WO2020012591A1
WO2020012591A1 PCT/JP2018/026288 JP2018026288W WO2020012591A1 WO 2020012591 A1 WO2020012591 A1 WO 2020012591A1 JP 2018026288 W JP2018026288 W JP 2018026288W WO 2020012591 A1 WO2020012591 A1 WO 2020012591A1
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WO
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signal
angle range
direction estimation
wireless device
unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/026288
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English (en)
French (fr)
Inventor
原　嘉孝
網嶋　武
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/46—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems
    • G01S3/48—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems the waves arriving at the antennas being continuous or intermittent and the phase difference of signals derived therefrom being measured

Definitions

  • the present invention relates to a direction estimating apparatus and a radio apparatus for estimating the direction of a signal.
  • a wireless device that estimates the direction in which a measurement object exists, it is necessary to perform direction estimation for accurately estimating the direction of a signal from a wide angle range when receiving a signal.
  • direction estimation performed by a wireless device the arrival direction of a signal is estimated using the phase difference between signals received by a plurality of antennas.
  • a search is performed for a direction of arrival of a signal that causes a phase difference measured among a plurality of antennas within a predetermined angle range, and the phase difference is searched for. Is estimated as the direction of arrival of the signal.
  • a certain angle range for performing direction estimation is usually determined in advance so that the arrival directions of all signals satisfying a certain quality criterion can be estimated.
  • the direction estimation may be performed with a direction from ⁇ 90 ° to 90 ° as an angle range.
  • the angle range in which the direction is estimated is determined based on the beam width of the receiving antenna, the beam width of signal transmission, and the like (for example, Patent Documents 1 and 2), and an example where the angle range is determined by a delay profile ( For example, Patent Document 3).
  • Patent Documents 1 and 2 an example, Patent Document 3
  • the angle range is determined in advance before the direction is estimated.
  • a certain angle range for performing direction estimation is predetermined so that the directions of arrival of all signals satisfying a certain quality criterion can be estimated. That is, in the conventional direction estimating apparatus, since the direction estimation is performed on all the signals in a fixed angle range, the angle estimation is performed so that the direction estimation can be performed on a signal having a low signal quality while satisfying a certain quality standard. Is set. As a result, it is not possible to perform direction estimation over a wider angle range for a signal having high signal quality, and if the arrival direction of the signal is located outside the set angle range, the direction of the signal There is a problem that cannot be estimated.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and estimates a signal direction in a wider angle range than a conventional technique for a signal having a high signal quality among signals to be subjected to direction estimation. It is an object of the present invention to obtain a direction estimating device capable of performing the above.
  • the direction estimation device is a signal quality calculation unit that measures or predicts the quality of a signal received using a plurality of antennas, and according to the quality of the signal measured or predicted by the signal quality calculation unit, An angle range setting unit for setting an angle range for estimating the arrival direction of the signal, and a direction estimating unit for estimating the arrival direction of the signal in the angle range set by the angle range setting unit, And
  • FIG. 3 is a configuration example of a wireless device 100 and a direction estimating device 500 according to the first embodiment.
  • 5 is a flowchart illustrating a processing procedure of the wireless device 100 according to the first embodiment.
  • 4 shows an example of a format of a signal 30 according to the first embodiment.
  • 7 shows the phases of signals output from matched filters 4, 5, and 6 in the first embodiment.
  • 5 is an example of the amplitude of a signal output from matched filters 4, 5, and 6 in the first embodiment.
  • 9 is an example of setting of an angle range performed by the direction estimating unit 9 in the first embodiment.
  • 2 is a usage environment of direction estimation illustrated in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between arrangement of an array antenna and a signal arrival direction ⁇ in the wireless device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is an evaluation result of evaluating L ( ⁇ , r) obtained by the direction estimation method in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a beam pattern diagram for describing processing according to the first embodiment.
  • 2 is a processing circuit included in the wireless device 100 according to the first embodiment. Processing circuit and memory included in wireless device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a wireless system according to Embodiment 2.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a wireless device 200 according to Embodiment 2.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a terminal device 210 according to Embodiment 2.
  • 9 is a flowchart showing an operation of the wireless system according to the second embodiment.
  • FIG. 9 shows antenna arrangement, estimation accuracy, and angle error for performing direction estimation in all directions in the third embodiment.
  • FIG. 9 shows an antenna configuration of the wireless device 100 according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a wireless device 300 according to Embodiment 3.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating signal transmission and reception of a wireless device 400 according to Embodiment 4.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a wireless device 400 according to Embodiment 4.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a state of direction estimation at each time according to the fifth embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram showing a transition of L ( ⁇ , r) with respect to sin ⁇ 1 in the sixth embodiment.
  • Embodiment 1 FIG.
  • embodiments of the present invention will be described.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the wireless device 100 and the direction estimating device 500 according to the first embodiment.
  • the radio apparatus 100 includes antennas 0, 1, 2, matched filters 4, 5, 6, a signal quality calculator 7 for measuring signal quality, and a signal quality measured by the signal quality calculator 7.
  • An angle range setting unit 8 for setting an angle range for estimating a signal angle, and a direction estimating unit 9 for estimating a signal direction in the angle range set by the angle range setting unit 8.
  • the direction estimation device 500 includes a signal quality calculation unit 7, an angle range setting unit 8, and a direction estimation unit 9.
  • the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
  • the signal received by the wireless device 100 may be transmitted from the object to be measured or may be transmitted by the wireless device 100.
  • the wireless device 100 can receive the reflected wave of the transmission signal from the measurement target and estimate the direction of the received signal, thereby estimating the direction in which the measurement target exists.
  • the wireless device 100 can receive the signal transmitted by the measurement target and estimate the direction of the received signal, thereby estimating the direction in which the measurement target exists.
  • Antennas 0, 1, and 2 receive signals transmitted by radio.
  • FIG. 1 shows a configuration including three antennas as an example, the number of antennas is not limited to three and may be any number of three or more.
  • Matching filters 4, 5, and 6 are filters corresponding to known signals. When a known signal included in a received signal passes through matching filters 4, 5, and 6, the output values of matching filters 4, 5, and 6 increase.
  • the signal quality calculator 7 measures the signal quality of the received signal using the output values from the matched filters 4, 5, and 6.
  • the signal used for measuring the signal quality may be any one of the output values from the matched filters 4, 5, and 6, or a plurality of output values.
  • the signal quality is measured by, for example, a signal-to-noise power ratio (SNR: Signal to Noise, Power to Ratio). Note that the signal quality is not limited to the SNR, and a ratio of the standard deviation of the signal power to the standard deviation of the noise power may be used, and any other parameter representing the signal quality may be used.
  • SNR
  • the angle range setting unit 8 sets an angle range when the direction of the received signal is estimated by the direction estimation unit 9 according to the signal quality measured by the signal quality calculation unit 7.
  • the direction estimating unit 9 estimates the direction of the received signal using the output values of the matched filters 4, 5, and 6 within the angle range set by the angle range setting unit 8.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a processing procedure of the wireless device 100.
  • the wireless device 100 receives the signal 30 with the antennas 0, 1, and 2 (S201).
  • FIG. 3 shows an example of the format of the signal 30.
  • signal 30 is represented as a spread signal having amplitudes of +1 and -1.
  • the signal 30 may be any signal as long as it is a known signal. For example, it may be a single carrier signal, a multicarrier signal, a spread signal, a chirp signal, or any other signal.
  • the wireless device 100 inputs the signals received by the antennas 0, 1, and 2 to the matched filters 4, 5, and 6, respectively (S202).
  • FIG. 4 shows the phases of the signals output from the matched filters 4, 5, and 6.
  • Matching filters 4, 5, and 6 output signals corresponding to the signals received by antennas 0, 1, and 2, respectively.
  • Outputs corresponding to the matching filters 4, 5, and 6 have phases ⁇ 0, ⁇ 1, and ⁇ 2, respectively.
  • the distance between antenna 0 and antenna 1 is d1
  • the distance between antenna 0 and antenna 2 is d2.
  • FIG. 5 shows an example of the amplitude of the signal output from the matched filter 4.
  • the matched filter 4 When a known signal is input to the matched filter 4, the matched filter 4 outputs an amplitude 51.
  • the peak of the output of the matched filter 4 becomes smaller than the peak of the amplitude 51. Therefore, the timing at which the known signal is input to the matched filter 4 can be extracted by judging the output from the matched filter 4 as a threshold value.
  • the timing of the known signal can be grasped in advance. As a method of grasping the timing of the known signal, any existing method may be used.
  • the output from the matched filter 4 includes a stationary noise 52.
  • the output from the matched filter 4 has been described, but similar signals are also output from the matched filters 5 and 6.
  • the signal quality is measured by the signal quality calculator 7 (S203).
  • the signal quality calculator 7 measures the power of the stationary noise 52 in a state where no signal is input to the matched filter 4. Further, by measuring the amplitude 51 of the output of the matched filter 4 at the timing when the known signal is detected, the power of the known signal can be measured.
  • the signal quality calculation unit 7 may measure the average of the signal quality of the output of each of the matched filters 4, 5, and 6. For example, when measuring the signal quality as SNR, the ratio of the power of the known signal to the power of the noise 52 is obtained.
  • any existing method may be used.
  • the angle range is set by the angle range setting unit 8 (S204).
  • FIG. 6 shows an example of the setting of the angle range performed by the direction estimating unit 9.
  • the angle range setting unit 8 sets different angle ranges according to the signal quality of the signal.
  • the angle width 5D when 20 dB ⁇ SNR ⁇ 30 dB.
  • the angle range is set such that the direction estimation is performed while satisfying a predetermined criterion.
  • This criterion is, for example, a criterion such that the success rate of the direction estimation satisfies a predetermined success rate, the accuracy of the direction estimation satisfies a predetermined accuracy, and the like.
  • the example of setting the angle range is not limited to FIG. 6, and any form of setting the angle range according to the signal quality so that the direction estimation satisfies the criterion may be used.
  • the angle range can be set by a function of inputting the signal quality and outputting the angle range.
  • the direction estimation unit 9 estimates the direction of the received signal (S205). Since the angle range setting unit 8 sets the angle range so that the direction estimation satisfies the criterion, the direction estimation unit 9 can perform direction estimation that satisfies the criterion.
  • the radio apparatus 100 sets the angle range according to the signal quality and estimates the direction of the received signal, so that the direction can be estimated within the angle range suitable for the signal quality. As a result, the direction can be estimated over a wide angle range for a signal with high signal quality.
  • FIG. 7 shows, as an example, a case where the terminal device 110 that is the measurement target transmits a radio wave carrying a known signal, and the wireless device 100 estimates the direction of the radio wave.
  • the radio waves have an angular spread narrow enough to be regarded as a single direction in the wireless device 100, and the influence of the scattered waves of other radio waves on the direction estimation is small.
  • FIG. 8 shows the relationship between the arrangement of the array antenna in the wireless device 100 and the arrival direction ⁇ of the signal.
  • the radio apparatus 100 receives radio waves in the direction ⁇ using three antennas (antennas 0, 1, and 2) arranged linearly.
  • the response vector a ( ⁇ ) of the radio wave is expressed by the following equation.
  • a ( ⁇ ) [1, e (j2 ⁇ (d1 / ⁇ ) sin ⁇ ), e (j2 ⁇ (d2 / ⁇ ) sin ⁇ )] T
  • dm (m 1, 2) indicates the interval between antenna 0 and antenna m
  • ⁇ indicates the wavelength of the radio wave.
  • the response vector a ( ⁇ ) is rewritten by the following equation.
  • a ( ⁇ ) [1, e (j2 ⁇ FT1), e (j2 ⁇ FT2)] T (1)
  • F sin ⁇
  • T1 d1 / ⁇
  • T2 d2 / ⁇ (2)
  • T1 and T2 are fixed values.
  • the measurement phase difference ⁇ ′i between the antenna 0 and the antenna i is represented by the following equation.
  • F sin ⁇ .
  • ⁇ 1 2 ⁇ FT1-2n ⁇ (5)
  • ⁇ 2 2 ⁇ FT2-2m ⁇ (6)
  • n and m are integers.
  • the direction estimating unit 9 performs the following direction estimation.
  • Q1 An integer set (n ′, m ′) of the following equation that minimizes
  • N ′, m ′) arg (n, m) ⁇ U min
  • F ′ ⁇ (2T1 2 ⁇ T1T2) F1 (n ′) + (2T2 2 ⁇ T1T2) F2 (m ′) ⁇ / ⁇ 2 (T1 2 -T1T2 + T2 2 ) ⁇ (11)
  • ⁇ sin -1 F '(12)
  • Expression (11) is derived by a derivation process described below.
  • a highly accurate estimated value F ′ is expressed in the following formula for performing appropriate weighting of F1 (n) and F2 (m), and appropriate weights w1 and w2 are obtained.
  • T represents transposition.
  • F0 sin ⁇ corresponding to the true direction satisfies the following simultaneous equations.
  • F0 nB1 + f1 (5 ')
  • F0 mB2 + f2 (6 ')
  • fi ⁇ i / (2 ⁇ Ti)
  • F1 (n) ⁇ F2 (m) in control (Q1) is represented by the following equation.
  • the success state (n ′, m ′) (n0, m0) satisfies the expression (10) and (n, m) ⁇ (n0, m0). This is when the expression is satisfied.
  • ⁇ n and ⁇ m are integers that satisfy the following equation.
  • the success rate Ps changes with n0, m0, that is, the direction ⁇ of the radio wave determined by n0, m0. Further, the success rate Ps varies depending on the estimation range B. Therefore, a range B in which Ps> Preq (Preq: required success rate) can be maintained is obtained by the following processing.
  • the maximum value L ( ⁇ , r) of B / B2 that can maintain Ps> Preq is obtained for all (n0, m0) ⁇ U.
  • the evaluation result of FIG. 9 is a relation that is established irrespective of the size of the antenna gaps d1 and d2.
  • the power ratio ⁇ has the following equation with the estimated value F ′.
  • F ′ sin ⁇ + e E [
  • 2 ] 1 / ⁇
  • e represents an error component.
  • ⁇ 0, the following equation holds.
  • ⁇ ' ⁇ ⁇ + e e
  • the standard deviation (rad) of the angle error included in the estimated value ⁇ ′ is E [
  • 2 ] 1/2 1 / ⁇ 1/2
  • the standard deviation (°) of the angle error is 180 / ( ⁇ ⁇ ⁇ 1/2 ) Given by (Example of concrete processing assuming three antennas and end of description of characteristic analysis)
  • the process of setting the angle range B according to the signal quality can be understood as follows using the beam pattern shown in FIG. First, it is assumed that the direction of the main lobe 1001 of the beam pattern formed by a plurality of antennas is changed to various directions, and direction estimation is performed in which the direction of the main lobe 1001 having the highest power is detected as the signal direction. At this time, in the direction estimation, it is necessary to distinguish the reception power of the signal 30 received at the peak of the main lobe 1001 from the reception power of the signal 30 received by the side lobe 1002 and the grating lobe 1003.
  • the received signal is included in the received signal rather than the received power difference of the signal caused by the gain difference 1004 between the peak of the main lobe 1001 and the peak of the side lobe 1002 and the grating lobe 1003.
  • Noise power needs to be small. This is because if the noise power is large, a signal received by the side lobe 1002 or the grating lobe 1003 is erroneously detected as a signal received by the main lobe 1001, and an erroneous direction estimation is performed. Therefore, whether or not the direction estimation can be performed without error depends on the magnitude of the noise power.
  • the noise power included in the received signal is smaller than the received power difference of the signal caused by the gain difference 1004, a wide angle range is obtained. At 1005, direction estimation can be performed.
  • the noise power included in the received signal is larger than the received power difference of the signal caused by the gain difference 1004, the signal received by the grating lobe 1003 may be mistaken for the signal received by the main lobe 1001. Therefore, when estimating the direction of the signal, it is necessary to estimate the direction in a narrow angle range 1006 where the grating lobe 1003 does not appear.
  • the angle range in which direction estimation can be performed with an appropriate error rate changes depending on the level of noise power included in the received signal.
  • the direction estimation method includes a beam scanning type and a null scanning type. In the present embodiment, the description has been made on the assumption that the beam scanning type direction estimation is basically performed. However, the same principle holds for the null scanning type direction estimation.
  • the signal quality for example, SNR
  • the influence of noise in the correlation matrix of the array antenna calculated from the received signal increases, and the calculated weight vector corresponding to the null direction is an ideal.
  • the arrival direction is estimated using the weight vector, the possibility of erroneously detecting the direction of the grating lobe increases.
  • the signal quality for example, SNR
  • Non-Patent Document 1 Nobuyoshi Kikuma, "Adaptive signal processing by array antenna", Science and Technology Publishing
  • the present embodiment has been described by taking the case of three antennas as an example, but the invention shown in the present embodiment is not limited to three antennas.
  • the present invention is not limited to the direction-of-arrival estimation method described in the present embodiment. If the number of antennas is three or more, the angle range setting unit 8 sets the angle range B according to the signal quality for any number of antennas, and the direction estimation unit 9 generally knows the angle range B within the range of the angle range B. The direction of the received signal can be estimated using the direction estimation method.
  • Each function of the matched filters 4, 5, 6, the signal quality calculation unit 7, the angle range setting unit 8, and the direction estimation unit 9 in the wireless device 100 is realized by a processing circuit (Processing Circuit).
  • This processing circuit is also called a CPU (Central Processing Unit), a central processing unit, a processing unit, an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, a processor, or a DSP that executes a program stored in a memory, even if it is dedicated hardware. ).
  • the processing circuit 1101 includes, for example, a single circuit (a single circuit), a complex circuit (multiple circuits), and a programmed processor (a @ programmed processor).
  • a parallel programmed processor multiple programmed processors
  • an ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • an FPGA Field Programmable Gate Array
  • the functions of the matching filters 4, 5, 6, the signal quality calculation unit 7, the angle range setting unit 8, and the direction estimation unit 9 may be realized by a processing circuit, or the functions of the units may be realized by a processing circuit. May be.
  • the wireless device 100 When the processing circuit is a CPU, the wireless device 100 includes a processing circuit 1201 and a memory 1202 as shown in FIG.
  • the functions of the matched filters 4, 5, 6, the signal quality calculation unit 7, the angle range setting unit 8, and the direction estimation unit 9 are realized by software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • Software and firmware are described as programs and stored in the memory 1202.
  • the processing circuit 1201 reads out and executes a program stored in the memory 1202 to realize the function of each unit. That is, when the wireless device 100 is executed by the processing circuit 1201, the steps of generating the filter output of the received signal, measuring the signal quality, setting the angle range, and estimating the direction result.
  • a memory 1202 for storing a program to be executed is provided.
  • the memory 1202 includes, for example, a nonvolatile or volatile semiconductor memory such as a RAM, a ROM, a flash memory, an EPROM, and an EEPROM, a magnetic disk, a flexible disk, an optical disk, a compact disk, a mini disk, and a DVD. I do.
  • a nonvolatile or volatile semiconductor memory such as a RAM, a ROM, a flash memory, an EPROM, and an EEPROM, a magnetic disk, a flexible disk, an optical disk, a compact disk, a mini disk, and a DVD.
  • the functions of the matching filters 4, 5, 6, the signal quality calculation unit 7, the angle range setting unit 8, and the direction estimation unit 9 are partially implemented by dedicated hardware, and partially implemented by software or firmware. You may make it.
  • the functions of the matching filters 4, 5, 6 and the signal quality calculation unit 7 are realized by a processing circuit as dedicated hardware, and the processing circuits of the angle range setting unit 8 and the direction estimation unit 9 are stored in a memory. The function can be realized by reading and executing the set program.
  • the processing circuit 1201 can realize the above-described functions by hardware, software, firmware, or a combination thereof.
  • radio apparatus 100 sets an angle range in which direction estimation of a received signal is performed according to the signal quality of the received signal.
  • this configuration it is possible to perform direction estimation on a signal with high signal quality in a wider angle range than in the related art, and it is possible to estimate the direction in which the measurement target exists from a wide angle range.
  • the characteristics of the direction estimation are described using a specific direction estimation method as a specific example in (A3).
  • the present embodiment is limited to the direction estimation method shown in (A3).
  • the present invention can be applied to a generally known direction estimation method. In other words, the phenomenon that the angle range that can be estimated changes according to the SNR of a signal holds true for a generally known direction estimation method. Can be set.
  • the direction estimation in wireless device 100 has been described in the first embodiment, the direction estimation in the present embodiment can be applied to other than wireless signals as long as the direction of a signal is estimated. it can. That is, the direction estimation device 500 in the wireless device 100 can be applied to the direction estimation of an arbitrary signal as well as a wireless signal.
  • the direction estimation of the present embodiment can be applied to various forms of direction estimation, such as sound signal direction estimation and vibration direction estimation. Therefore, the application destination of the direction estimation device 500 is not limited to a wireless signal.
  • the known signals 31, 33, and 35 are input to the matching filters 4, 5, and 6, and the phase of the signal 30 is measured.
  • the signal 30 is a non-modulated signal (CW: If (Continuous @ Wave), the phase of the signal 30 can be measured without using the matched filters 4, 5, and 6.
  • the timing of measuring the phase of the signal 30 is known in advance, and when measuring an unmodulated signal at that timing, the phase of the signal 30 can be measured as it is.
  • direction estimation apparatus 500 measures signal quality calculated by signal quality calculating section 7 that measures the quality of signal 30 received using a plurality of antennas 0, 1, 2, and An angle range setting unit for setting an angle range for estimating the direction of arrival of the signal in accordance with the quality of the signal, and a direction for estimating the direction of arrival of the signal in the angle range set by the angle range setting unit And an estimating unit 9.
  • the signal quality calculator 7 is characterized in that the signal-to-noise power ratio of the signal 30 is measured as the quality.
  • the signal quality can be easily measured, and the angle range setting unit 8 can set an appropriate angle range using the relationship between the signal-to-noise power ratio and the angle range (for example, FIG. 9). For example, by using the relationship in FIG. 9, it is possible to derive the relationship between the SNR and the angle range shown in FIG.
  • radio transmitted signal 30 is received using a plurality of antennas 0, 1, and 2, and direction estimation for the received signal is performed using direction estimation apparatus 500. It is characterized by performing. With this configuration, direction estimation can be performed in a wider angle range than in the related art.
  • Embodiment 2 discloses a mode in which the direction of a received signal can be smoothly estimated by performing signal transmission control.
  • the wireless device 100 determines an angle range in which direction estimation can be performed in accordance with the signal quality. Therefore, in the present embodiment, a form is shown in which control information is notified from wireless device 200 to terminal device 210, and terminal device 210 transmits a signal based on the control information so that direction estimation can be performed in a suitable angle range.
  • FIG. 13 shows the configuration of the wireless system according to the second embodiment.
  • This wireless system includes a wireless device 200 and a terminal device 210.
  • the terminal device 210 transmits the signal 30 shown in FIG. 3, and the wireless device 200 receives the signal 30 and estimates the direction of the received signal.
  • FIG. 14 shows a configuration of a wireless device 200 according to the second embodiment.
  • the wireless device 200 includes a control information notification unit 10 that notifies the terminal device 210 of control information in addition to the configuration of the first embodiment.
  • FIG. 15 shows a configuration of terminal device 210 according to the second embodiment.
  • the terminal device 210 includes an antenna 11, a signal transmitting unit 12 for transmitting a signal, a transmission control unit 13 for setting a signal format or transmission power of a signal to be transmitted, and a control information receiving unit 14 for receiving control information from the terminal device 210.
  • FIG. 16 is a flowchart showing the operation in the present embodiment.
  • the control information notifying unit 10 of the wireless device 200 notifies the terminal device 210 of the control information necessary for the next signal transmission based on the signal reception results so far (S1601).
  • the control information notification unit 10 may receive the quality information of the signal received so far from the signal quality calculation unit 7 and notify the terminal device 210 of the signal quality information.
  • the control information notifying unit 10 receives the information of the previously set angle range from the angle range setting unit 8 in addition to the signal quality information, and considers the angle range required for the next signal transmission. Then, it is also possible to notify required transmission power information.
  • the required SNR is determined from the characteristic curve shown in FIG.
  • the transmission power required to realize the required SNR is notified by transmission power control information.
  • the control information notification unit 10 can notify a required signal format in consideration of an angle range required for the next signal transmission.
  • the signal format includes a spreading factor when the transmission signal is a spread signal, a chirp rate when the transmission signal is a chirp signal, and a configuration of the known signal when the transmission signal is a specific known signal. included.
  • the method of notifying the signal quality information, the transmission power information, and the signal format information may be any known method.
  • the control information receiving unit 14 receives the control information.
  • the transmission control unit 13 of the terminal device 210 sets transmission power or a signal format suitable for the next transmission based on the received control information (S1602).
  • the signal format it is possible to notify a spreading factor when the transmission signal is a spread signal and a chirp rate when the transmission signal is a chirp signal, and the terminal device 210 uses an appropriate signal format according to the notification. Set.
  • the terminal device 210 transmits a signal in the selected signal format (S1603).
  • the wireless device 200 performs direction estimation on the received signal (S1604).
  • the direction estimating unit 9 of the wireless device 200 may use the direction estimating method described in the first embodiment or another direction estimating method.
  • the wireless device 200 can recognize the reception timing of the signal 30 from the outputs of the matched filters 4, 5, and 6, and notifies the wireless device 200 of the timing at which the terminal device 210 transmits in advance, and the wireless device 200
  • the reception timing of the signal 30 can be configured from the notification information. Based on the output timings from the matched filters 4, 5, and 6, the direction estimating unit 9 can estimate the direction of the received signal.
  • the configuration is described in which wireless device 200 notifies control information to terminal device 210, but a configuration in which control information is not notified may be used.
  • the wireless device 200 transmits a known signal to the terminal device 210, and the terminal device 210 measures the SNR using the transmitted known signal, so that the SNR obtained when the terminal device 210 transmits the signal is roughly grasped. can do.
  • the terminal device 210 performs transmission control by the transmission control unit 13 and transmits a signal is also possible.
  • the terminal device 210 has been described as an example, but any wireless device may be used instead of the terminal device 210.
  • radio device 100 it is necessary for radio device 100 to estimate the direction of a signal transmitted from terminal device 210 that is a radio device and received by radio device 100 (radio device 200) that is a receiving station.
  • a transmission control unit 13 that determines transmission power or a signal format so as to be performed in a wide angle range, and a signal transmission unit 12 that transmits a signal according to the transmission power or signal format determined by the transmission control unit. It is characterized by having.
  • the signal quality for example, SNR
  • the signal received by the wireless device 100 is a spread signal
  • the signal format includes a spreading factor of the spread signal.
  • terminal apparatus 210 transmits a spread signal having a predetermined spreading factor, and despreads the spread signal using matched filters 4, 5, and 6 in radio apparatus 100 (radio apparatus 200). It is possible to easily adjust the signal quality (for example, SNR) required when the direction estimation is performed by the wireless communication device 100 (wireless device 200).
  • the signal received by the wireless device 100 is a chirp signal
  • the signal format includes a chirp signal of the chirp signal.
  • the terminal device 210 transmits a chirp signal of a predetermined chirp rate
  • the wireless device 100 performs pulse compression of the chirp signal using the matched filters 4, 5, and 6 to achieve wireless communication. It becomes possible to easily adjust the signal quality (for example, SNR) required when the direction estimation is performed by the apparatus 100 (wireless apparatus 200).
  • Embodiment 3 FIG.
  • an example of an antenna arrangement capable of performing high-precision direction estimation over a wide range is shown, and an antenna used for direction estimation is selected from a plurality of antennas.
  • An embodiment will be described. In the following, a case will be mainly described in which three antennas are used. However, the present embodiment is not limited to three antennas, and can be applied to any antenna having three or more antennas.
  • the characteristics of the accuracy ⁇ and the angle error are summarized. From FIG. 17, it can be seen that if the SNR is high, the direction estimation can be performed over a wide range and with high accuracy while maintaining a high success rate even if the antenna interval is wider than half a wavelength. Further, as the SNR is high, it can be seen that the precision improvement by the antenna spacing becomes wider G A and phase measurement error sided from the estimated accuracy of the precision improvement G B due to the decrease in is improved.
  • FIG. 18 shows an antenna configuration in wireless device 300 of the present embodiment.
  • antennas 0 'and 2' are provided in addition to antennas 0, 1, and 2 of wireless device 100 shown in the first embodiment.
  • the antenna interval between antenna 0 and antenna 1 is 0.37 ⁇
  • the antenna interval between antenna 0 and antenna 2 is 1 ⁇
  • the interval between antenna 0 ′ and antenna 1 is 1.48 ⁇
  • the interval between antenna 0 ′ and antenna 2 ′ is An example in which 4 ⁇ is set is shown.
  • FIG. 19 shows the configuration of wireless device 300 of the present embodiment.
  • the wireless device 300 includes an antenna selector 301 in addition to the configuration of the wireless device 100 described in the first embodiment.
  • Antenna selection section 301 selects which of the received signal from antenna 0 and the received signal from antenna 0 'is used. Similarly, it selects which of the received signal from antenna 2 and the received signal from antenna 2 'is used.
  • the antennas 0, 0 ', 1, 2, 2' are switched by the antenna selection unit 301 through the switches 302 and 303 as appropriate. Can be measured.
  • the measured signal quality for example, SNR
  • the direction estimation is performed in all directions
  • the direction estimation may not necessarily be performed in all directions.
  • the success rate may be any other value.
  • any antenna may be selected for the antenna.
  • an antenna that allows radio device 300 to select an antenna to be used for direction estimation from a plurality of antennas included in radio device 300 in accordance with the signal quality calculated by signal quality calculation section 7 A selection unit 301 is provided. With this configuration, it is possible to perform signal direction estimation with high estimation accuracy while maintaining a predetermined success rate in the angle range in which direction estimation is performed, according to the signal quality.
  • the radio apparatus 300 includes an antenna movement control unit that moves the plurality of antennas 0, 1, and 2 to a position determined by the signal quality calculated by the signal quality calculation unit 7, instead of the antenna selection unit 301.
  • Embodiment 4 FIG.
  • Embodiments 1 to 3 show cases where different wireless devices perform transmission and reception, whereas in the present embodiment, one wireless device performs signal transmission and signal reception. Is shown.
  • the wireless device 200 and the terminal device 210 are usually different wireless devices as described in the second embodiment.
  • one wireless device 400 transmits the signal 30 and the same wireless device 400 receives the signal 30 reflected by the measurement object 2001.
  • the wireless device 400 can estimate the arrival direction of the signal 30 reflected by the measurement target.
  • FIG. 21 shows the configuration of wireless device 400 according to the present embodiment.
  • Radio apparatus 400 includes transmission control section 21 and signal transmission section 22 in addition to the configuration of radio apparatus 100 shown in Embodiment 1.
  • FIG. 22 is a flowchart showing an operation of wireless device 400 according to the present embodiment.
  • the transmission control unit 21 of the wireless device 400 determines control information necessary for the next signal transmission based on the signal reception results so far, and transmits a signal based on the control information.
  • the transmitting unit 22 is controlled (S2201).
  • control information There are various forms of control information.
  • the transmission control unit 21 receives the signal quality of the signal received so far from the signal quality calculation unit 7, further receives the information of the angle range set so far from the angle range setting unit 8, and transmits the next signal transmission.
  • the required transmission power or signal format is determined in consideration of the required angle range. More specifically, when the required angle range is determined, the required SNR is determined from the characteristic curve shown in FIG.
  • the transmission power and signal format required to realize the required SNR are determined.
  • the signal transmission unit 22 transmits the signal 30 according to the control information determined by the transmission control unit 21 (S2202).
  • the signal 30 transmitted from the wireless device 400 is reflected by the measurement object 2001, and the reflected wave is received by the wireless device 400 (S2203).
  • the wireless device 400 estimates the direction of the received signal as in the first to third embodiments (S2204), and detects the direction of the measurement object 2001.
  • one wireless device transmits and receives a signal and estimates the direction of a received signal.
  • the radio apparatus 400 estimates the direction of a signal transmitted from the own apparatus, reflected by the measurement object 2001, and received by the own apparatus in an angle range necessary for the radio apparatus 100.
  • the transmission control unit 21 determines transmission power or a signal format, and a signal transmission unit 22 transmits a signal in accordance with the transmission power or signal format determined by the transmission control unit 21.
  • a signal transmission unit 22 transmits a signal in accordance with the transmission power or signal format determined by the transmission control unit 21.
  • it is possible to estimate the direction of the measurement target 2001 by using a transmission power or a signal format required according to the direction of existence and the moving speed of the measurement target 2001, and to reduce unnecessary transmission power. Becomes possible.
  • the signal 30 having a suitable signal format, it is possible to estimate the direction in a wide angle range.
  • Embodiment 5 shows an embodiment in which the signal transmission power or signal format is adjusted when transmitting signals in Embodiments 2 to 4.
  • FIG. 23 shows how the direction is estimated at each time in the present embodiment.
  • the angle range in which the direction can be estimated differs depending on the reception power and the signal format of the signal received by wireless device 200.
  • the arrival direction of a signal usually changes continuously in time.
  • terminal apparatus 210 transmits a signal having a signal format and transmission power of standard J at times p1 and p4, and a signal format and transmission power at times p2, p3, p5, and p6.
  • a signal having a transmission power of standard K is transmitted.
  • the direction of a wider angle range can be estimated with the signal of the standard J than with the signal of the standard K.
  • This signal transmission can be performed by determining this signal format and transmission power in control information notification section 10 (FIG. 14) or transmission control 13 (FIG. 15) in the second embodiment.
  • the direction of the signal can be estimated from the wide angle range 23012302 at times p1 and p4.
  • the direction estimated at times p1 and p4 is set as the center direction, and angle ranges 2303, 2304, 2305, and 2306 of the received signal are narrower than the angle range obtained at times p1 and p4. Perform direction estimation.
  • the direction can be estimated without error even at time p2.
  • the direction can be estimated without error at time p3.
  • the angle range 2301 and the angle range 2302 are the same range.
  • the transmission signal of the standard J when the angle range of the signal existence direction is wide, the transmission signal of the standard J is transmitted, and when it is known that the angle range of the signal existence direction is a limited range, The signal of the standard K is transmitted. If the characteristic that the direction of arrival changes is known, the temporal pattern for transmitting the standard J or standard K signal can be determined in advance. Further, the transmission power of the transmission signal to be transmitted next and the standard of the signal format can be determined according to which position in the set angle range the direction estimated by the direction estimation unit 9 belongs.
  • the angle range in which the direction can be estimated is narrower than the standard J, and the transmission power of the standard K signal is usually smaller than the transmission power of the standard J signal. Therefore, it is possible to estimate the direction of the received signal while suppressing the transmission power, as compared with the case where the direction is always estimated over a wide angle range using the signal of the standard J.
  • the transmission power of the standard K signal is usually smaller than the transmission power of the standard J signal. Therefore, it is possible to estimate the direction of the received signal while suppressing the transmission power, as compared with the case where the direction is always estimated over a wide angle range using the signal of the standard J.
  • by adaptively using signals of a plurality of standards it is possible to reduce power consumption while maintaining appropriate direction estimation performance. As a result, it is possible to suppress interference with peripheral wireless stations.
  • direction estimation apparatus 500 sets first angle range 2301 at first time p1, and sets first angle range 2301 at second time p2 later than first time p1.
  • a second angle range 2303 narrower than 2301 is set. With this configuration, the direction of arrival of the signal is estimated in a wide range at the first time point p1, and the information of the direction estimated at the first time point p1 is used at the second time point p2, whereby the first angle range 2301 is obtained. Even if a smaller second angle range 2303 is set, the direction of the signal can be estimated smoothly. Also, by narrowing the angle range, the power of the signal required for the direction estimation can be suppressed, and the power required for signal transmission can be suppressed.
  • the angle range 2301 and the angle range 2302 are both the same first angle range, and the direction estimation device 500 according to the present embodiment includes the angle range setting unit 8
  • the first angle range is set at a third time p4 later than the second times p1 and p2.
  • Embodiment 6 FIG.
  • a spread signal is used as signal 30 and the spread rate of the spread signal is determined as a signal format
  • a control configuration in a case where the direction estimation is performed in a wide angle range at times p1 and p4 will be described.
  • SNR ⁇ is the SNR at the output of the matched filter. If a high SNR can be obtained at the output of the matched filter even if the SNR before the input of the matched filter is low, it is possible to perform highly accurate direction estimation over a wide range. Therefore, a spread signal is used as the signal 30 in order to improve the SNR at the output of the matched filter.
  • SNR 20 dB
  • the wireless device 200 can perform highly accurate direction estimation in all directions.
  • wireless device 200 can grasp direction ⁇ 1 of terminal device 210.
  • the range B ′ is preset in the wireless device 200 in consideration of the movement characteristics of the terminal device 210.
  • L ( ⁇ , r) does not change even when sin ⁇ 1 changes from ⁇ 1 to 1.
  • the wireless device 200 determines the range B ′ so that the direction of the terminal device 210 falls within the range of Expression (25).
  • B '/ B2 ⁇ L ( ⁇ , r)
  • the radio apparatus 200 determines the spreading factor SF2 necessary for achieving SNR ⁇ and notifies the terminal apparatus 210.
  • the terminal device 210 transmits a spread signal with the spreading factor SF2, and the wireless device 200 performs direction estimation within the range of Expression (25).
  • the terminal device 110 transmits a spread signal according to the spreading factor determined by the wireless device 200, so that the wireless device 200 can perform direction estimation in a required angle range.
  • Embodiment 7 FIG. In the embodiments described above, the signal quality is measured by the signal quality calculating unit 7, but in the present embodiment, a mode in which the signal quality is predicted by the signal quality calculating unit 7 is disclosed.
  • the signal quality of the received signal is directly measured by the signal quality calculator 7.
  • the signal quality calculation unit 7 predicts the signal quality. That is, in the first to sixth embodiments, the processing for measuring the signal quality in the signal quality calculation unit 7 is replaced with the processing for predicting the signal quality. With this configuration, the signal quality can be calculated without measuring the signal quality each time the signal is received. In addition, since the signal quality of the received signal can be predicted before receiving the signal, the angle range can be set in advance by the angle range setting unit 8, and the process after signal reception can be performed smoothly. Become.

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Abstract

この発明に係る方向推定装置は、複数のアンテナを用いて受信される信号の品質を測定又は予測する信号品質算出部と、前記信号品質算出部で測定又は予測された信号の品質に応じて、前記信号の到来方向を推定する角度範囲を設定する角度範囲設定部と、前記角度範囲設定部で設定された角度範囲で前記信号の到来方向を推定する方向推定部と、を備えたことを特徴とする。この構成により、方向推定の対象となる信号の中で信号品質の高い信号に対して、従来技術よりも広い角度範囲で方向推定を行うことができる。

Description

方向推定装置及び無線装置
　この発明は、信号の方向推定を行う方向推定装置及び無線装置に関する。
　測定対象物の存在方向を推定する無線装置では、信号を受信する際に信号の方向を広い角度範囲の中から精度よく推定する方向推定が必要とされる。一般に、無線装置で行われる方向推定では、複数のアンテナで受信された信号の位相差を用いて、その信号の到来方向を推定する。方向推定を行うアルゴリズムはさまざまであるが、基本的には、定められた角度範囲の中から、複数のアンテナ間で測定された位相差を生じるような信号の到来方向を探索し、その位相差を生じる方向を信号の到来方向として推定する。
　従来の方向推定装置では、通常、ある品質基準を満たす全ての信号の到来方向を推定できるように、方向推定を行う一定の角度範囲があらかじめ定められている。例えば、オムニアンテナを各アンテナに持つ場合には、－９０°～９０°の方向を角度範囲として方向推定を行う場合がある。また、方向推定を行う角度範囲を、受信アンテナの持つビーム幅や信号送信を行ったビーム幅などをもとに定める場合（例えば、特許文献１、２）や、遅延プロファイルにより定める例もある（例えば、特許文献３）。このように角度範囲の設定にはさまざまな方法があるが、この角度範囲は方向推定を行う前にあらかじめ定められる。
特開２０１７－６７６２３号公報 特開２０１６－１５１４２４号公報 特開２００１－２５１２３３号公報
　従来の方向推定装置では、ある品質基準を満たす全ての信号の到来方向を推定できるように、方向推定を行う一定の角度範囲があらかじめ定められている。すなわち、従来の方向推定装置では、全ての信号に対して一定の角度範囲で方向推定を行うため、ある品質基準を満たす中で低い信号品質をもつ信号に対して方向推定を行えるように角度範囲が設定される。その結果、高い信号品質をもつ信号に対して、より広い角度範囲で方向推定を行うことができず、信号の到来方向が設定された角度範囲の外に位置する場合には、その信号の方向を推定できない課題がある。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、方向推定の対象となる信号の中で信号品質の高い信号に対して、従来技術よりも広い角度範囲で信号の方向を推定できる方向推定装置を得ることを目的とする。
　この発明に係る方向推定装置は、複数のアンテナを用いて受信される信号の品質を測定又は予測する信号品質算出部と、前記信号品質算出部で測定又は予測された信号の品質に応じて、前記信号の到来方向を推定する角度範囲を設定する角度範囲設定部と、前記角度範囲設定部で設定された角度範囲で前記信号の到来方向を推定する方向推定部と、を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、方向推定の対象となる信号の中で信号品質の高い信号に対して、従来技術よりも広い角度範囲で方向推定を行うことができる。
実施の形態１に係る無線装置１００及び方向推定装置５００の構成例。 実施の形態１に係る無線装置１００の処理手順を表すフローチャート。 実施の形態１における信号３０のフォーマットの一例。 実施の形態１において整合フィルタ４，５，６から出力される信号の位相。 実施の形態１において整合フィルタ４，５，６から出力される信号の振幅の一例。 実施の形態１において方向推定部９で行われる角度範囲の設定の一例。 実施の形態１において例示する方向推定の利用環境。 実施の形態１における無線装置１００におけるアレーアンテナの配置と信号の到来方向φの関係を示す図。 実施の形態１において方向推定法で得られるＬ（Γ、ｒ）を評価した評価結果。 実施の形態１における処理を説明するためのビームパターン図。 実施の形態１において無線装置１００を構成する処理回路。 実施の形態１において無線装置１００を構成する処理回路とメモリ。 実施の形態２における無線システムの構成図。 実施の形態２に係る無線装置２００の構成図。 実施の形態２に係る端末装置２１０の構成図。 実施の形態２における無線システムの動作を示すフローチャート。 実施の形態３において全方向で方向推定を行うためのアンテナ配置、推定精度、角度誤差。 実施の形態３の無線装置１００におけるアンテナ構成。 実施の形態３における無線装置３００の構成図。 実施の形態４における無線装置４００の信号送受信を示す図。 実施の形態４における無線装置４００の構成図。 実施の形態４における無線装置４００の動作を示すフローチャート 実施の形態５における各時刻での方向推定の様子を示す図。 実施の形態６においてＬ（Γ、ｒ）のｓｉｎφ１に対する推移を示す図。
　実施の形態１．
　以下、この発明の実施の形態について説明する。
　図１は実施の形態１に係る無線装置１００及び方向推定装置５００の構成例を示す図である。無線装置１００は、アンテナ０、１、２と、整合フィルタ４、５、６と、信号の品質を測定する信号品質算出部７と、信号品質算出部７で測定された信号の品質に応じて、信号の角度を推定する角度範囲を設定する角度範囲設定部８と、角度範囲設定部８で設定された角度範囲で信号の方向を推定する方向推定部９と、を備える。方向推定装置５００は信号品質算出部７と角度範囲設定部８と方向推定部９を備える。なお、以降の各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。
　無線装置１００で受信される信号は測定対象物から送信されたものであっても、無線装置１００が送信したものであっても構わない。例えば、無線装置１００が信号を送信する場合、無線装置１００は送信信号の測定対象物からの反射波を受信し、受信信号の方向推定を行うことで測定対象物の存在方向を推定できる。また、測定対象物が信号を送信する場合、無線装置１００は測定対象物が送信した信号を受信し、受信信号の方向推定を行うことで、測定対象物の存在方向を推定できる。
　アンテナ０、１、２は、無線伝送された信号を受信する。図１では３つのアンテナを備えた構成を一例として示しているが、アンテナ数は３に限られるものではなく、３以上のいかなるアンテナ数であっても構わない。整合フィルタ４、５、６は既知信号に対応したフィルタであり、受信信号に含まれる既知信号が整合フィルタ４、５、６を通過すると、整合フィルタ４、５、６の出力値は大きくなる。信号品質算出部７は、整合フィルタ４、５、６からの出力値を用いて、受信信号の信号品質を測定する。なお、信号品質の測定に用いられる信号は、整合フィルタ４、５、６からの出力値のいずれか１つであってもよいし、複数の出力値を用いても構わない。信号品質は、例えば、信号対雑音電力比（ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒａｔｉｏ）によって測定される。なお、信号品質はＳＮＲに限られるものではなく、信号電力の標準偏差と雑音電力の標準偏差の比を用いてもよく、それ以外の信号品質を表すいかなるパラメータを用いても構わない。
　角度範囲設定部８では、信号品質算出部７で測定された信号品質に応じて、方向推定部９で受信信号の方向を推定する際の角度範囲を設定する。方向推定部９は角度範囲設定部８で設定された角度範囲の中で、整合フィルタ４、５、６の出力値を用いて受信信号の方向を推定する。
　次に、無線装置１００の動作を説明する。図２に無線装置１００の処理手順を表すフローチャートを示す。
まず、無線装置１００はアンテナ０、１、２で信号３０を受信する（Ｓ２０１）。図３に信号３０のフォーマットの一例を示す。図３では、信号３０は＋１と－１の振幅をもつ拡散信号として表されている。信号３０は既知信号であれば、いかなる信号であっても構わない。例えば、シングルキャリア信号であっても、マルチキャリア信号であっても、拡散信号であっても、チャープ信号であっても、それ以外の信号であっても構わない。
　次に、無線装置１００はアンテナ０、１、２で受信された信号をそれぞれ整合フィルタ４、５、６に入力する（Ｓ２０２）。図４に整合フィルタ４、５、６から出力される信号の位相を示す。整合フィルタ４、５、６は、それぞれアンテナ０、１、２での受信信号に対応した信号を出力する。整合フィルタ４、５、６に対応した出力はそれぞれ位相θ０、θ１、θ２を有している。また、図４に示すように、アンテナ０とアンテナ１の距離をｄ１、アンテナ０とアンテナ２の距離をｄ２とする。
図５に整合フィルタ４から出力される信号の振幅の一例を示す。整合フィルタ４に既知信号が入力されると、整合フィルタ４は振幅５１を出力する。既知信号でない信号が整合フィルタ４に入力されると、整合フィルタ４の出力のピークは振幅５１のピークより小さくなる。従って、整合フィルタ４からの出力を閾値判定することで、整合フィルタ４に既知信号が入力されたタイミングを抽出できる。なお、既知信号のタイミングはあらかじめ把握しておくこともできる。既知信号のタイミングを把握する方法は、既存のいかなる方法を用いてもよい。また、整合フィルタ４からの出力には、定常的な雑音５２が含まれる。ここでは、整合フィルタ４からの出力について説明を行ったが、整合フィルタ５、６からも同様の信号が出力される。
信号品質算出部７で信号品質を測定する（Ｓ２０３）。信号品質算出部７では、整合フィルタ４に信号の入力がない状態で定常的な雑音５２の電力を測定する。また、既知信号が検出されるタイミングで整合フィルタ４の出力の振幅５１を測定することにより、既知信号のもつ電力を測定できる。ここでは、整合フィルタ４を用いる場合について説明を行ったが、整合フィルタ４の出力の代わりに整合フィルタ５、６の出力を用いても構わない。また、信号品質算出部７は整合フィルタ４、５、６それぞれの出力の信号品質の平均を測定しても構わない。例えば、信号品質をＳＮＲとして測定する場合には、既知信号の持つ電力と雑音５２の電力の比を求める。なお、ＳＮＲの測定方法には、さまざまな方法があるが、既存のいかなる方法を用いてもよい。
　角度範囲設定部８で角度範囲を設定する（Ｓ２０４）。図６に方向推定部９で行われる角度範囲の設定の一例を示す。図６に示すように、角度範囲設定部８では、信号の信号品質に応じて、異なる角度範囲を設定する。図６では、ＳＮＲ＜＝１０ｄＢの場合は角度幅Ｄ（Ｄは特定の角度幅）、１０ｄＢ＜ＳＮＲ＜＝２０ｄＢの場合は角度幅２Ｄ、２０ｄＢ＜ＳＮＲ＜＝３０ｄＢの場合は、角度幅５Ｄを角度範囲として設定している。この角度範囲は、所定の基準を満たして方向推定が行われるように設定される。この基準は例えば、方向推定の成功率が所定の成功率を満たす、方向推定の精度が所定の精度を満たす、などの基準となる。
　なお、角度範囲を設定する例は図６に限られるものではなく、方向推定が基準を満たすように、信号品質に応じて角度範囲を設定するいかなる形態でも構わない。例えば、信号品質を入力し、角度範囲を出力する関数によって、角度範囲の設定を行うこともできる。
　角度範囲設定部８で設定された角度範囲を用いて、方向推定部９で受信信号の方向を推定する（Ｓ２０５）。角度範囲設定部８は、方向推定が基準を満たすように角度範囲を設定するので、方向推定部９では基準を満たす方向推定を行える。
このように、無線装置１００では、信号品質に応じて角度範囲を設定し、受信信号の方向を推定することにより、信号品質に適合した角度範囲内で方向を推定できる。その結果、信号品質の高い信号に対しては広い角度範囲で方向推定を行うことができる。
　以下では、本実施の形態における理解をより深めるために、３アンテナを用いた場合の無線装置１００における具体的な方向推定の一例と方向推定の特性解析を示す。ただし、本実施の形態で示される発明は、３アンテナの場合に限定されるものではない。
（Ａ１）利用環境
　図７に例示する方向推定の利用環境を示す。図７では、測定対象物である端末装置１１０が既知信号を搬送する電波を送信し、無線装置１００がその電波の方向を推定する場合を例として示している。ここでは、電波が無線装置１００において単一の方向とみなせる程度に狭い角度広がりをもち、その他の電波の散乱波が方向推定に与える影響は小さい環境を一例として取り上げる。
（Ａ２）応答ベクトル
　図８に無線装置１００におけるアレーアンテナの配置と信号の到来方向φの関係を示す。無線装置１００は線形に配列された３アンテナ（アンテナ０、１、２)を用いて、方向φの電波を受信する。このとき、電波の応答ベクトルａ（φ）は次式で表される。
ａ（φ）＝
［１，ｅ（ｊ２π（ｄ１／λ）ｓｉｎφ），ｅ（ｊ２π（ｄ２／λ）ｓｉｎφ）］Ｔ
ここで、ｄｍ（ｍ＝１、２）はアンテナ０とアンテナｍの間隔、λは電波の波長を示す。
応答ベクトルａ（φ）は次式に書き換えられる。
ａ（φ）＝［１，ｅ（ｊ２πＦＴ１），ｅ（ｊ２πＦＴ２）］Ｔ（１）
Ｆ ＝ ｓｉｎφ、　Ｔ１＝ｄ１／λ、　Ｔ２＝ｄ２／λ　　　　（２）
ここで、Ｔ１、Ｔ２は固定値である。
方向推定では、次式のＦの範囲を扱う。
　Ｆ＜＝（Ｂ／２）　⇔　｜φ｜＜＝ｓｉｎ－１ （Ｂ／２）　 （３）
ここで、ＢはＦの推定範囲を表す。
（Ａ３）方向推定法
　方向推定部９で行われる方向推定法について説明する。
　アンテナｉ（＝０、１、２）の整合フィルタ出力では、次式の複素振幅が測定される。
（Ｐ）1/2ｅｘｐ（ｊθｉ）＋ｚｉ＝（ηi）1/2ｅｘｐ｛ｊ（θｉ＋ξｉ）｝
　　　　　　　　　　　　　　　 ＝（ηi）1/2ｅｘｐ（ｊθ’ｉ）　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｉ＝０、１、２（４）
ここで、Ｐは整合フィルタ出力での受信信号の電力、θｉは整合フィルタ出力での受信信号の位相、ｚｉは整合フィルタ出力での雑音、ηiは受信信号と雑音を含めた電力、ξｉは位相測定誤差、θ’ｉは測定位相を表す。
　測定位相θ’ｉを用いると、アンテナ０とアンテナｉの間の測定位相差Δθ’ｉは次式で表わされる。
　　Δθ’ｉ＝θ’ｉ－θ’０　　　　ｉ＝１、２
ところで、式（１）より、雑音の影響を受けない理想状態でのアンテナ０とアンテナｉ（＝１、２）の間の位相差ΔθｉはＦ＝ｓｉｎφと次式の関係をもつ。
　　Δθ１＝２πＦＴ１－２ｎπ　　　（５）
　　Δθ２＝２πＦＴ２－２ｍπ　　　（６）
ここで、ｎ、ｍは整数である。
　実環境では位相差Δθｉを測定できないので、その代わりに測定位相差Δθ’ｉを用いると、式（５）（６）に対応するＦの推定値Ｆｉ（ｎ）（ｉ＝１、２）はそれぞれ次式で表される。
　　Ｆ１（ｎ）＝（ｎ＋Δθ’１／２π）Ｂ１　　　（７）
　　Ｆ２（ｍ）＝（ｍ＋Δθ’２／２π）Ｂ２　　　（８）
　　Ｂｉ＝１／Ｔｉ＝λ／ｄｉ　　　　ｉ＝１、２　（９）
ここで、Ｂｉ（ｉ＝１、２）は不確定要素ｎＢ１、ｍＢ２を発生させることなくアンテナ０とアンテナｉを用いて方向推定を行えるＦの範囲、ｎ（ｏｒ ｍ）は不確定要素ｎＢ１（ｏｒ ｍＢ２)を特定する番号を表す。
　推定値Ｆｉ（ｎ）（ｉ＝１、２）がＦと同様に式（３）を満たすとき、次式が成り立つ。
　－Ｂ／２　＜＝（ｎ＋Δθ’１／２π）Ｂ１＜＝Ｂ／２
　－Ｂ／２　＜＝（ｎ＋Δθ’２／２π）Ｂ２＜＝Ｂ／２
従って、Δθ’ｉ（ｉ＝１、２）の範囲を０＜＝Δθ’ｉ＜２πと定義すると、ｎ、ｍの範囲は次式で与えられる。
　Ｕ＝｛［－Ｂ／２Ｂ１］＜＝ｎ＜＝[Ｂ／２Ｂ１]、
　　　　　[－Ｂ／２Ｂ２]＜＝ｍ＜＝[Ｂ／２Ｂ２]｝　（１０）
ここで、［a］はa以下の最大の整数を表す。
　推定値Ｆ１（ｎ）とＦ２（ｍ）は整数ｎ、ｍによってさまざまな値となるが、Ｆ１（ｎ）とＦ２（ｍ）が一致する状態が求めるべきＦ＝ｓｉｎφとなる可能性が高い。そこで、方向推定部９では以下の方向推定を行う。
（Ｑ１）｜Ｆ１（ｎ）－Ｆ２（ｍ）｜を最小とする次式の整数組（ｎ’、ｍ’）を求める。
　（ｎ’、ｍ’）＝ａｒｇ（ｎ，ｍ）∈Ｕ ｍｉｎ｜Ｆ１（ｎ）－Ｆ２（ｍ）｜
なお、Ｕ（式（１０）)における範囲Ｂは（ｎ’、ｍ’）を一意に決定できるように事前に設定される。

（Ｑ２）次式の高精度な推定値Ｆ’を求め、方向推定値φを得る。
Ｆ’＝｛（２Ｔ１２－Ｔ１Ｔ２）Ｆ１（ｎ’）＋（２Ｔ２２－Ｔ１Ｔ２）Ｆ２（ｍ’）｝
　　　　／｛２（Ｔ１２－Ｔ１Ｔ２＋Ｔ２２）｝　　　　　　（１１）
　φ＝ｓｉｎ－１Ｆ’　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１２）
　なお、式（１１）は、以下で説明する導出過程によって導出される。まず、高精度な推定値Ｆ’をＦ１（ｎ）とＦ２（ｍ）との適切な重み付けを行う次式の形式で表現し、適切なウエイトｗ１、ｗ２を求める。
　　Ｆ’＝ｗ１・Ｆ１（ｎ）＋ｗ２・Ｆ２（ｍ）＝ｗＴＦ　　（１３）
　　ｗ＝［ｗ１、ｗ２］Ｔ
　　Ｆ＝［Ｆ１（ｎ）、Ｆ２（ｍ）］Ｔ
ここで、Ｔは転置を表す。
　式（５）（６）より、雑音の影響を受けない理想状態では、真の方向に対応するＦ０＝ｓｉｎφは次式の連立方程式を満たす。
　　　Ｆ０＝ｎ・Ｂ１＋ｆ１　　　　　　　　　　（５’）　
　　　Ｆ０＝ｍ・Ｂ２＋ｆ２　　　　　　　　　　（６’）
　　　ｆｉ＝Δθｉ／（２πＴｉ）　　ｉ＝１、２
真の方向に対応するＦ０＝ｓｉｎφを与える（ｎ、ｍ）を（ｎ０、ｍ０）とする。
　制御（Ｑ１）において、（ｎ’、ｍ’）が真の方向に対応するＦ０＝ｓｉｎφのもつ（ｎ０、ｍ０）と一致する状態を「成功状態」と呼ぶ。成功状態（ｎ’、ｍ’）＝（ｎ０、ｍ０）となる条件を以下で論じる。
　まず、式（７）（８）は次式で書き直される。
　　　Ｆ１（ｎ）＝ｎＢ１＋ｆ１＋ｅ１　　　　　（７’）
　　　Ｆ２（ｍ）＝ｎＢ２＋ｆ２＋ｅ２　　　　　（８’）
　　　ｅｉ＝（ξｉ－ξ０）／（２πＴｉ）　　ｉ＝１、２
制御（Ｑ１）で成功状態（ｎ’、ｍ’）＝（ｎ０、ｍ０）であることを想定すると、式（５’）（６’）（７’）（８’）より、Ｆは次式を満たす。
　　Ｆ＝１・Ｆ０＋ｅ　　　　　　　　　　　　　（１４）
　　１＝［１、１］Ｔ
　　ｅ＝［ｅ１、ｅ２］Ｔ
　　　＝（１／２π）［ξ１／Ｔ１、ξ２／Ｔ２］Ｔ
　　　　　　　　　－（ξ０／２π）［１／Ｔ１、１／Ｔ２］Ｔ
式（１３）（１４）より、Ｆ’に含まれる真の方向に対応するＦ０＝ｓｉｎφの電力（ｗＴ１）２と雑音電力（ｗＴｅ）２の比を最大とするウエイトｗは、次式のＭＶＤＲ（Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｖａｒｉａｎｃｅ　Ｄｉｓｔｏｔｉｏｎｌｅｓｓ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ)ウエイトとなる。
　　ｗ＝Φ―１１／（１ＴΦ―１１）　　　　　　（１５）
　　　＝１／（２（Ｔ１２－Ｔ１・Ｔ２＋Ｔ２２））
　　　　　　　［２Ｔ１２－Ｔ１・Ｔ２、－Ｔ１・Ｔ２＋Ｔ２２］Ｔ　
　　Φ＝Ｅ［ｅｅＨ］　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  
ここで、Ｈは共役転置を表す。式（１５）のウエイトｗから式（１３）（１５）から、式（１１）の関係が導かれる。
（Ａ４）方向推定可能な範囲Ｂ
　（Ａ３）で示した方向推定部９での方向推定を想定し、角度範囲設定部８で設定する方向推定可能な範囲Ｂの特性について説明する。方向推定が適切に行われるのは、（Ｑ１）で導出される整数組（ｎ’、ｍ’）が、（実環境では測定できないが、シミュレーション環境では算出可能な）式（５）（６）から導かれる雑音のない理想状態での整数組（ｎ０、ｍ０）と一致するときであり、この状態が不確定性（アンビギュイティ）による誤りを生じずに真の方向を推定できる成功状態となる。
　そこで、成功状態となる成功率Ｐｓをまず導く。式（５’）（６’）（７’）（８’）を用いると、制御（Ｑ１）におけるＦ１（ｎ）－Ｆ２（ｍ）は次式で表される。
　　Ｆ１（ｎ）－Ｆ２（ｍ）＝Δｎ・Ｂ１－Δｍ・Ｂ２＋ｅ１－ｅ２
　　Δｎ＝ｎ－ｎ０
　　Δｍ＝ｍ－ｍ０
成功状態（ｎ’、ｍ’）＝（ｎ０、ｍ０）となるのは、式（１０）を満たし、かつ（ｎ、ｍ）≠（ｎ０、ｍ０）である（ｎ、ｍ）に対して次式が満たされる場合である。
　　｜Ｘ（ｎ、ｍ）＋ｅ１－ｅ２｜＞｜ｅ１－ｅ２｜　（１６）
　　Ｘ（ｎ、ｍ）＝Δｎ・Ｂ１－Δｍ・Ｂ２
ここで、Ｘ（ｎ、ｍ）の中で、最も０に近い負の値Ｘ－と最も０に近い正の値Ｘ＋をそれぞれ次式の形式で表す。
　　Ｘ－＝Δｎ－・Ｂ１－Δｍ－・Ｂ２　　　　　　　　　　
　　Ｘ＋＝Δｎ＋・Ｂ１－Δｍ＋・Ｂ２　　　　　　　　　　
このとき、式（１６）が満たされるのは、以下の場合となる。
　・ｅ１－ｅ２＞＝０のとき
　　　Ｘ－＜－２（ｅ１－ｅ２）　従って、ｅ１－ｅ２＜－Ｘ－／２
　・ｅ１－ｅ２＜０のとき
　　　Ｘ＋＜－２（ｅ１－ｅ２）　従って、ｅ１－ｅ２＞－Ｘ＋／２
すなわち、
　　　　　－Ｘ＋／２＜ｅ１－ｅ２＜－Ｘ－／２
が満たされる場合である。
　従って、成功率Ｐｓは確率変数ｕ
　　ｕ＝２（ｅ１－ｅ２）／Ｂ１
　　　＝｛ξ１－ξ０－ｒ（ξ２－ξ０）｝／π
が次式を満たす確率に相当する。
　　　Ｙ－＜ｕ＜Ｙ＋　　　　　　　　　　　
　　　Ｙ－＝Δｎ－－Δｍ－・ｒ　　　　　　
　　　Ｙ＋＝Δｎ＋－Δｍ＋・ｒ　　　　　　
　　　ｒ＝Ｔ１／Ｔ２＝ｄ１／ｄ２　　　　　
Ｙ－、Ｙ＋はそれぞれＹ＝Δｎ－Δｍ・ｒの中で、最も０に近い負の値、最も０に近い正の値を表す。ここで、Δｎ、Δｍは次式を満たす整数である。
　　［－Ｂ／（２Ｂ１）］＜＝ｎ＜＝［Ｂ／（２Ｂ１）］
　　［－Ｂ／（２Ｂ２）］＜＝ｍ＜＝［Ｂ／（２Ｂ２）］
であるので、Δｎ＝ｎ－ｎ０、Δｍ＝ｍ－ｍ０の範囲は
　［－Ｂ／（２Ｂ１）］－ｎ０＜＝Δｎ＜＝［Ｂ／（２Ｂ１）］－ｎ０（１７）
　［－Ｂ／（２Ｂ２）］－ｍ０＜＝Δｍ＜＝［Ｂ／（２Ｂ２）］－ｍ０（１８）
で与えられる。また、計算を行う際の確率変数ξｉは
　　ξｉ＝ａｒｃｔａｎ（ｙｉ／（Γ1/2＋ｘｉ））、　ｉ＝０，１，２ 
で与えられる。ここで、ｘｉ、ｙｉ（ｉ＝０、１、２）は分散１／２をもつ互いに独立なガウス変数、Γは整合フィルタ出力で位相θｉを測定する際のＳＮＲを表す。
　式（１７）（１８）より、成功率Ｐｓはｎ０、 ｍ０、つまり、ｎ０、 ｍ０によって定まる電波の方向φによって変化する。また、成功率Ｐｓは推定範囲Ｂによっても変化する。そこで、Ｐｓ＞Ｐｒｅｑ（Ｐｒｅｑ：所要の成功率）を維持できる範囲Ｂを以下の処理で求める。
（Ｒ１）ＳＮＲ Γ（＝１０、２０、３０ｄＢ）と比率ｒ(０＜ｒ＜１)を設定する。
（Ｒ２）ＳＮＲ Γと比率ｒのもとで、全ての（ｎ０、ｍ０）∈Ｕに対して、Ｐｓ＞Ｐｒｅｑを維持できるＢ／Ｂ２の最大値Ｌ（Γ、ｒ）を求める。
　このとき、Ｐｓ＞Ｐｒｅｑを維持できる範囲Ｂは次式を満たす。
　Ｂ／Ｂ２　＜＝Ｌ（Γ、ｒ）⇒Ｂ＜＝Ｌ（Γ、ｒ）・Ｂ２　（１９）
　図９にＰｒｅｑ＝０．９９、ＳＮＲ＝１０、２０、３０ｄＢ、比率ｒ（０＜ｒ＜１）に対してＬ（Γ、ｒ）を評価した結果を示す。図では、ＳＮＲ＝１０、２０、３０ｄＢのいずれにおいても、ｒ＝０．３７、０．６３でＬ（Γ、ｒ）は大きな値となる。なお、図９では、特定のアンテナ間隔ｄ１、ｄ２に依存せず、比ｒ＝ｄ１／ｄ２のみに基づき比率Ｂ／Ｂ２の評価を進めている。図９の評価結果はアンテナ間隔ｄ１、ｄ２の大きさに無関係に成り立つ関係である。
　図９の結果から、所定の成功率Ｐｒｅｑを維持しつつ方向推定を行える角度範囲は、アンテナ間隔の比ｒ＝ｄ１／ｄ２、と信号品質（例えば、ＳＮＲ）に依存して定められることが分かる。この結果から、角度範囲設定部８で信号品質に基づいて方向推定を行う角度範囲を設定することにより、方向推定部９において基準を満たす方向推定を行うことができることが分かる。
（Ａ５）推定精度
　成功状態において、方向推定部９で行われる方向推定の方向の推定精度を導く。高精度な推定値Ｆ’（式（１１））におけるＦ＝ｓｉｎφと雑音の電力比γは次式で表される。
　γ＝１ＴΦ―１１
　　＝（８π２（Ｔ１２＋Ｔ２２－Ｔ１Ｔ２））／（３σ２）
　　＝（８π２（ｄ１２＋ｄ２２－ｄ１ｄ２））／（３λ２σ２）　（２０）
ここで、σ２＝Ｅ[｜ξ０｜２]＝Ｅ[｜ξ１｜２]＝Ｅ［｜ξ２｜２］である。式（２０）より、成功状態を維持しつつアンテナ間隔ｄ１、ｄ２を広げることで、方向の推定精度を向上できる。
なお、電力比γは推定値Ｆ’と次式の関係をもつ。
　　　　　Ｆ’＝ｓｉｎφ＋ｅ　　　　Ｅ［|ｅ|2］＝１／γ
ここで、ｅは誤差成分を表す。
φ＝０の場合、次式が成り立つ。
　　　　　φ’≒φ＋ｅ＝ｅ
このとき、推定値φ’に含まれる角度誤差の標準偏差(rad)は
　　　　　Ｅ［|ｅ|2］1/2＝１／γ1/2
角度誤差の標準偏差(°)は
　　　　　１８０／（π・γ1/2）
で与えられる。
　　　（３アンテナを想定した具体的な処理の一例と特性解析の説明終わり）
　図９で示されるように、信号品質算出部７で測定される信号のＳＮＲによって、所要の成功率Ｐｒｅｑを満たしつつ方向推定を行うことのできる角度範囲Ｂの最大値＝Ｌ（Γ、ｒ）・Ｂ２は変化する。従って、本実施の形態では、Ｓ２０４において、角度範囲設定部８で信号の品質（例えば、ＳＮＲ　Γ）に応じてＬ（Γ、ｒ）・Ｂ２より小さくなる角度範囲Ｂを設定し、Ｓ２０５において、方向推定部９で角度範囲Ｂの範囲内で受信信号の方向を推定する。この構成によって、信号の品質が変化する場合にも、成功率などの所要の基準を満たしつつ、方向推定を行うことが可能となる。
　なお、図９で示されるように、方向推定を行うことのできる角度範囲Ｂの最大値は、アンテナ間隔の比率ｒ＝ｄ１／ｄ２によって異なる。従って、角度範囲Ｂの最大値を大きくするためには、アンテナ間隔の比率ｒ＝ｄ１／ｄ２を適切に設定する必要がある。
　一般論として、信号の品質に応じて角度範囲Ｂを設定する処理は、図１０で示されるビームパターンを用いて以下のように捉えることもできる。まず、複数のアンテナによって形成されるビームパターンのメインローブ１００１の方向を様々な方向に変更し、最も電力が高くなるメインローブ１００１の方向を信号の方向として検出する方向推定を想定する。このとき、方向推定では、メインローブ１００１のピークで受信された信号３０の受信電力と、サイドローブ１００２及びグレーティングローブ１００３で受信された信号３０の受信電力を区別する必要がある。この受信電力の区別を十分小さい誤り率で行うためには、メインローブ１００１のピークと、サイドローブ１００２及びグレーティングローブ１００３のピークの利得差１００４により生じる信号の受信電力差よりも、受信信号に含まれる雑音電力が小さくなる必要がある。これは、雑音電力が大きいと、サイドローブ１００２又はグレーティングローブ１００３で受信した信号を、メインローブ１００１で受信した信号と誤って検出し、誤った方向推定が行われるためである。従って、方向推定を誤りなく行えるか否かは雑音電力の大きさに依存し、利得差１００４により生じる信号の受信電力差よりも、受信信号に含まれる雑音電力が小さい場合には、広い角度範囲１００５で方向推定を行える。これに対して、利得差１００４により生じる信号の受信電力差よりも、受信信号に含まれる雑音電力が大きい場合には、グレーティングローブ１００３で受信した信号をメインローブ１００１で受信した信号と誤る可能性があるため、信号の方向を推定する際にグレーティングローブ１００３が現れない程度の狭い角度範囲１００６で方向推定を行う必要がある。このように、受信信号に含まれる雑音電力の大きさによって、適切な誤り率で方向推定を行える角度範囲は変化する。
　その結果、本実施の形態で示されるように、信号の品質に応じて、方向推定を行う角度範囲を決定する処理を行うことで、さまざまな信号に対して、適切な誤り率を維持しつつ方向推定を行うことが可能となる。特に、品質の高い信号に対しては、広い角度範囲で方向推定を行うことが可能である。この原理は、アンテナ数及び方向推定法に関わらず基本的に成り立つものである。なお、下記の非特許文献１に記載されている通り、方向推定法には、ビーム走査型とヌル走査型がある。本実施の形態では、ビーム走査型の方向推定を基本的に想定して説明を行ったが、ヌル走査型の方向推定に対しても、同様の原理が成り立つ。ヌル走査型の方向推定では、信号品質（例えば、ＳＮＲ）が低いと受信信号から算出されるアレーアンテナの相関行列における雑音の影響が大きくなり、算出されるヌル方向に対応したウエイトベクトルが理想のウエイトベクトルに対して誤差を持つ。その結果、そのウエイトベクトルを用いて到来方向を推定すると、グレーティングローブの方向を誤って検出する可能性が高くなる。このように、ヌル走査型の方向推定においても、信号品質（例えば、ＳＮＲ）が低いとグレーティングローブの方向を誤って検出する可能性が高くなる。従って、ヌル走査型の方向推定においても、信号の品質に応じて、方向推定を行う角度範囲を決定する処理を行うことで、さまざまな信号に対して、適切な誤り率を維持しつつ方向推定を行うことが可能となる。
［非特許文献１］菊間　信良、”アレーアンテナによる適応信号処理”科学技術出版
　これまでの説明で明らかなように、本実施の形態では、３アンテナの場合を例にとって説明したが、本実施の形態で示される発明は３アンテナに限定されるものではない。また、本実施の形態で示した到来方向推定法に限定されるものではない。３アンテナ以上であればいかなるアンテナ数に対しても、角度範囲設定部８で信号の品質に応じて角度範囲Ｂを設定し、方向推定部９で角度範囲Ｂの範囲内で一般的に知られている方向推定法を用いて受信信号の方向を推定することができる。
　なお、これまでに述べた信号品質によって、適切な誤り率を維持しつつ方向推定を行える角度範囲が異なることは、筆者の知る限り、従来の文献では示されていない。すなわち、これまで信号品質の違いによって、方向推定を行える角度範囲に違いが生じることはこれまで知られておらず、本実施の形態で初めて明らかになるものである。また、本実施の形態で述べた無線装置１００及び方向推定装置５００は、その新たな知見に基づいて新たに構築されるものである。
　無線装置１００における整合フィルタ４、５、６、信号品質算出部７、角度範囲設定部８、方向推定部９の各機能は、処理回路（Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）により実現される。この処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサー、ＤＳＰともいう）であってもよい。
　処理回路が専用のハードウェアである場合、図１１に示すように、処理回路１１０１は、例えば、単一回路（ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ）、複合回路（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、プログラム化したプロセッサー（ａ　ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、並列プログラム化したプロセッサー（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。整合フィルタ４、５、６、信号品質算出部７、角度範囲設定部８、方向推定部９の各部の機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路で実現してもよい。
　処理回路がＣＰＵの場合、無線装置１００は、図１２に示すように、処理回路１２０１と、メモリ１２０２とを備える。整合フィルタ４、５、６、信号品質算出部７、角度範囲設定部８、方向推定部９の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ１２０２に格納される。処理回路１２０１は、メモリ１２０２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、無線装置１００は、処理回路１２０１により実行されるときに、受信信号のフィルタ出力を生成するステップ、信号品質を測定するステップ、角度範囲を設定するステップ、方向を推定するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ１２０２を備える。これらのプログラムの一例は図２に示されるステップＳ２０２～Ｓ２０５で表すことができる。また、これらのプログラムは、整合フィルタ４、５、６、信号品質算出部７、角度範囲設定部８、方向推定部９の手順や方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ１２０２とは、例えば、RAM、ROM、フラッシュメモリー、EPROM、EEPROM等の不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等が該当する。
　なお、整合フィルタ４、５、６、信号品質算出部７、角度範囲設定部８、方向推定部９の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。例えば、整合フィルタ４、５、６、信号品質算出部７については専用のハードウェアとしての処理回路でその機能を実現し、角度範囲設定部８、方向推定部９については処理回路がメモリに格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。
　このように、処理回路１２０１は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
　以上で示したように、本実施の形態に係る無線装置１００は、受信信号の信号品質に応じて、受信信号の方向推定を行う角度範囲を設定する。この構成により、高い信号品質の信号に対して従来技術よりも広い角度範囲で方向推定を行うことができ、広い角度範囲の中から測定対象物の存在方向を推定することができる。なお、本実施の形態では、（Ａ３）で特定の方向推定法を具体例として、方向推定の特性を説明したが、本実施の形態は、（Ａ３）で示した方向推定法に限られるものではなく、一般に知られている方向推定法に対して適用可能である。すなわち、推定可能な角度範囲が信号のＳＮＲに応じて変化するという現象は、一般に知られている方向推定法に対して成り立つものであり、一般的な方向推定において信号のＳＮＲに応じて角度範囲を設定することが可能である。
　なお、実施の形態１では、無線装置１００における方向推定について述べたが、信号の方向を推定する形態であれば、無線信号以外に対しても、本実施の形態の方向推定を適用することができる。すなわち、無線装置１００内の方向推定装置５００は無線信号のみでなく、任意の信号の方向推定に適用することができる。例えば、音声信号の方向推定、振動の方向推定、など、さまざまな形態の方向推定に本実施の形態の方向推定を適用できる。従って、方向推定装置５００の適用先は無線信号に限定されるものではない。
　また、本実施の形態では、既知信号３１、３３、３５を整合フィルタ４、５、６に入力して、信号３０の位相を測定する形態を示したが、信号３０が無変調信号（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ）である場合には、整合フィルタ４、５、６を用いなくても、信号３０の位相をそのまま測定することができる。例えば、信号３０の位相を測定するタイミングが事前に分かっており、そのタイミングで無変調信号を測定する場合、信号３０の位相をそのまま測定することができる。
　このように、本実施の形態の方向推定装置５００は、複数のアンテナ０、１、２を用いて受信される信号３０の品質を測定する信号品質算出部７と、信号品質算出部７で測定された信号の品質に応じて、前記信号の到来方向を推定する角度範囲を設定する角度範囲設定部８と、角度範囲設定部８で設定された角度範囲で前記信号の到来方向を推定する方向推定部９と、を備えたことを特徴とする。この構成によって、方向推定の対象となる信号の中で高い信号品質の信号に対して、従来技術よりも広い角度範囲で方向推定を行うことができる。
　また、本実施の形態に係る方向推定装置５００において、信号品質算出部７は、信号３０の信号対雑音電力比を前記品質として測定することを特徴とする。この構成によって、信号品質を簡易に測定でき、信号対雑音電力比と角度範囲との関係（例えば、図９）を用いて、角度範囲設定部８で適切な角度範囲を設定することができる。例えば、図９の関係を用いれば、図６に示すＳＮＲと角度範囲の関係を導くことも可能となる。
　また、本実施の形態に係る無線装置１００では、無線伝送された信号３０を複数のアンテナ０、１、２を用いて受信し、方向推定装置５００を用いて、受信された信号に対する方向推定を行うことを特徴とする。この構成によって、従来技術より広い角度範囲で方向推定を行うことができる。
実施の形態２．
　本実施の形態では、信号の送信制御を行うことで、受信信号の方向推定を円滑に行える形態について開示する。
　図９に示されるように、無線装置１００では信号品質に応じて方向推定を行える角度範囲が定まる。そこで、本実施の形態では、適した角度範囲で方向推定を行えるように、無線装置２００から端末装置２１０に制御情報を通知し、端末装置２１０が制御情報に基づき信号を送信する形態を示す。
　図１３に実施の形態２における無線システムの構成を示す。この無線システムは無線装置２００と端末装置２１０を備える。端末装置２１０は図３に示される信号３０を送信し、無線装置２００は信号３０を受信し、受信信号の方向推定を行う。
　図１４に実施の形態２における無線装置２００の構成を示す。無線装置２００は実施の形態１の構成に加えて、端末装置２１０に制御情報を通知する制御情報通知部１０を備える。図１５に実施の形態２における端末装置２１０の構成を示す。端末装置２１０はアンテナ１１、信号を送信する信号送信部１２、送信する信号の信号フォーマットまたは送信電力を設定する送信制御部１３、端末装置２１０から制御情報を受信する制御情報受信部１４を備える。
　図１６に本実施の形態における動作をフローチャートとして示す。本実施の形態では、無線装置２００の制御情報通知部１０はこれまでの信号受信結果に基づき、次の信号送信に際して必要となる制御情報を端末装置２１０に通知する（Ｓ１６０１）。通知する制御情報にはさまざまな形態がある。例えば、制御情報通知部１０は信号品質算出部７からこれまでに受信した信号の品質情報を受け取り、その信号品質情報を端末装置２１０に通知してもよい。別の例では、制御情報通知部１０は信号品質情報に加えて角度範囲設定部８からこれまでに設定された角度範囲の情報を受け取り、次の信号送信で必要とされる角度範囲を考慮したうえで、必要となる送信電力情報を通知することも可能である。この場合、必要となる角度範囲、アンテナ間隔の比率ｒが定まると、図９に示される特性曲線から、必要なＳＮＲが定まる。その必要なＳＮＲを実現するために必要な送信電力を送信電力制御情報によって通知する。また、別の例では、制御情報通知部１０は、次の信号送信で必要とされる角度範囲を考慮したうえで、必要となる信号フォーマットを通知することも可能である。ここで、信号フォーマットには、送信信号を拡散信号とする場合の拡散率、送信信号をチャープ信号とする場合のチャープレート、送信信号を特定の既知信号とする場合のその既知信号の構成などが含まれる。この信号品質情報、送信電力情報、信号フォーマット情報を通知する方法は、これまで知られたいかなる方法でも構わない。
　端末装置２１０は制御情報が通知されると、制御情報受信部１４でその制御情報を受信する。端末装置２１０の送信制御部１３では、受信した制御情報に基づき、次回の送信に適した送信電力または信号フォーマットを設定する（Ｓ１６０２）。ここで、信号フォーマットとして、送信信号を拡散信号とする場合の拡散率、送信信号をチャープ信号とする場合のチャープレートを通知することが可能であり、端末装置２１０はその通知に従い適切な信号フォーマットを設定する。
　端末装置２１０は選定した信号フォーマットで信号を送信する（Ｓ１６０３）。無線装置２００は受信信号に対して、方向推定を行う（Ｓ１６０４）。この際、無線装置２００の方向推定部９では実施の形態１で示した方向推定法を用いてもよいし、その他の方向推定法を用いてもよい。また、無線装置２００は信号３０の受信タイミングを整合フィルタ４、５、６の出力から認識することができるし、端末装置２１０が送信するタイミングを無線装置２００に事前に通知し、無線装置２００がその通知情報から信号３０の受信タイミングを構成とすることもできる。この整合フィルタ４、５、６からの出力タイミングに基づき、方向推定部９で受信信号の方向推定を行うことができる。
　また、本実施の形態では、無線装置２００が端末装置２１０に制御情報を通知する構成を示したが、制御情報の通知を行わない構成を用いることも可能である。例えば、無線装置２００が端末装置２１０に既知信号を送信し、端末装置２１０が送信された既知信号を用いてＳＮＲを測定することにより、端末装置２１０が信号を送信した時に得られるＳＮＲを概ね把握することができる。その結果を用いることで、端末装置２１０が送信制御部１３で送信制御を行い、信号を送信する構成も可能である。
　また、本実施の形態では、端末装置２１０を例として説明したが、端末装置２１０の代わりにいかなる無線装置を用いても構わない。
　このように、本実施の形態では、無線装置である端末装置２１０から送信され、受信局である無線装置１００（無線装置２００）で受信される信号、の方向の推定が、無線装置１００で必要な角度範囲で行われるように、送信電力又は信号フォーマットを決定する送信制御部１３と、前記送信制御部で決定された送信電力又は信号フォーマットに従い、信号を送信する信号送信部１２と、を備えたことを特徴とする。この構成によって、必要な角度範囲に応じて、無線装置１００（無線装置２００）で方向推定を行う際の信号の品質（例えば、ＳＮＲ）を調整できるため、不要な送信電力を低減できる。また、適した信号フォーマットを用いることで、必要な角度範囲での方向推定を行うことが可能となる。
　また、本実施の形態では、無線装置１００（無線装置２００）で受信される信号は拡散信号であり、前記信号フォーマットは、前記拡散信号の拡散率を含むことを特徴とする。この構成により、端末装置２１０が所定の拡散率の拡散信号を送信し、無線装置１００（無線装置２００）で整合フィルタ４、５、６を用いてその拡散信号を逆拡散することにより、無線装置１００（無線装置２００）で方向推定を行う際に必要となる信号の品質（例えば、ＳＮＲ）を簡易に調整することが可能となる。
　また、本実施の形態では、無線装置１００（無線装置２００）で受信される信号はチャープ信号であり、前記信号フォーマットは、前記チャープ信号のチャープレートを含むことを特徴とする。この構成により、端末装置２１０が所定のチャープレートのチャープ信号を送信し、無線装置１００（無線装置２００）で整合フィルタ４、５、６を用いてそのチャープ信号のパルス圧縮を行うことにより、無線装置１００（無線装置２００）で方向推定を行う際に必要となる信号の品質（例えば、ＳＮＲ）を簡易に調整することが可能となる。
実施の形態３．
　本実施の形態では、実施の形態１で示した解析の具体例として、広範囲で高精度な方向推定を行えるアンテナ配置の例を示すとともに、複数のアンテナの中から方向推定に用いるアンテナを選択する実施の形態について説明する。なお、以下では、主に３アンテナを用いた場合について説明するが、本実施の形態は３アンテナに限られるものではなく、３アンテナ以上のいかなるアンテナに対しても適用できるものである。
　全方向（｜φ｜＜＝π／２）が方向推定の範囲となる状態は、式（３）でＢ＝２の状態に相当する。従って、全方向で成功率Ｐｒｅｑを維持するには、式（１９）がＢ＝２を満たす必要があり、アンテナ間隔ｄ２に次式の制約が課される。
　　　ｄ２ ＜＝　Ｌ（Γ、ｒ）・λ／２　　　（２０）
ここで、λは信号を搬送する電波の波長を示す。実施の形態１における（Ａ５）の議論より、式（２０）を維持しつつ、アンテナ間隔ｄ１、 ｄ２を広げることで方向の推定精度を向上できる。従って、全方向で成功率Ｐｒｅｑを維持し、最高の推定精度を得られるアンテナ間隔（ｄ１、ｄ２）は次式で与えられる。
（ｄ１、ｄ２）＝（Ｌ（Γ、ｒ）ｒλ／２、Ｌ（Γ、ｒ）λ／２）（２１）
　式（２１）の適用例を示す。図９においてＬ（Γ、ｒ）が大きいｒ＝０．３７の場合を取り上げると、
　Ｌ（Γ、０．３７）＝２　　　Γ＝１０ｄＢ　　　（２２）
　　　　　　　　　　＝８　　　Γ＝２０ｄＢ
　　　　　　　　　　＝２７　　Γ＝３０ｄＢ
であり、式(２１)の（ｄ１、ｄ２）は次式で与えられる。
（ｄ１、ｄ２）＝（０．３７λ、λ）　　　　　　Γ＝１０ｄＢ
　　　　　　　　（１．４８λ、４λ）　　　　　Γ＝２０ｄＢ
　　　　　　　　（４．９９５λ、１３．５λ）　Γ＝３０ｄＢ　（２３）
また、式（２３）のアンテナ配置を用いたときの推定精度に関して、次式が成り立つ。
　　　γ｜ＳＮＲ／γ｜１０ｄＢ＝ＧＡ・ＧＢ　　　　　　（２４）
　　 ＧＡ＝Ｌ（Γ、０．３７）２／Ｌ（１０ｄＢ、０．３７）２
　　 ＧＢ＝σ２｜１０ｄＢ／σ２｜ＳＮＲ
ここで、・｜ＳＮＲはＳＮＲが与えられた状態でのパラメータ・の値、ＧＡはアンテナ間隔が広くなることによる精度改善、ＧＢは位相測定誤差の低下による精度改善を表す。
　図１７にＳＮＲ Γ=１０、２０、３０ｄＢにおいて全方向で成功率Ｐｒｅｑ＝０．９９を維持し、最高の推定精度を得られるアンテナ配置（ｄ１、ｄ２）、そのアンテナ配置を用いたときの推定精度γ及び角度誤差の特性をまとめる。図１７からＳＮＲが高ければアンテナ間隔が半波長より広くても、高い成功率を維持しつつ広範囲で高精度な方向推定を行えることが分かる。また、ＳＮＲが高くなるにつれ、アンテナ間隔が広くなることによる精度改善ＧＡと位相測定誤差の低下による精度改善ＧＢの両面から推定精度が改善されることが分かる。
　図１８に本実施の形態の無線装置３００におけるアンテナ構成を示す。図１８では、実施の形態１で示した無線装置１００のもつアンテナ０、１、２に加えて、アンテナ０’、２’を備えている。ここでは、アンテナ０とアンテナ１のアンテナ間隔を０．３７λ、アンテナ０とアンテナ２のアンテナ間隔を１λ、アンテナ０’とアンテナ１の間隔を１．４８λ、アンテナ０’とアンテナ２’の間隔を４λとした一例を示している。
　図１９に本実施の形態の無線装置３００の構成を示す。無線装置３００では、実施の形態１で示した無線装置１００の構成に加えて、アンテナ選択部３０１を備えている。アンテナ選択部３０１は、アンテナ０からの受信信号とアンテナ０’からの受信信号のいずれを用いるかを選択する。同様に、アンテナ２からの受信信号とアンテナ２’からの受信信号のいずれを用いるかを選択する。なお、信号品質算出部７では信号が連続的に伝送される状態では、アンテナ選択部３０１でスイッチ３０２、３０３を介して適宜アンテナを切り替えることで、アンテナ０、０’、１、２、２’の信号品質を全て測定することができる。
　本実施の形態では、信号品質算出部７でアンテナ０、０’、１、２、２’の信号品質を測定し、測定された信号品質（例えば、ＳＮＲ）に基づいて、アンテナ選択部３０１で方向推定に用いる複数のアンテナを選択する。例えば、ＳＮＲ Γ=１０ｄＢの場合には、図１７に基づけば、全方向で成功率Ｐｒｅｑ＝０．９９を維持し、最高の推定精度を得られるアンテナ配置は（ｄ１、ｄ２）＝（０．３７λ、λ）となる。従って、アンテナ選択部３０１は図１８においてアンテナ０、１、２を選択し、アンテナ０、１、２での受信信号を用いて信号の到来方向を推定する。また、ＳＮＲ Γ=２０ｄＢの場合には、図１７に基づけば、全方向で成功率Ｐｒｅｑ＝０．９９を維持し、最高の推定精度を得られるアンテナ配置は（ｄ１、ｄ２）＝（１．４８λ、４λ）となる。従って、アンテナ選択部３０１は図１８においてアンテナ０’、１、２’を選択し、アンテナ０’、１、２’での受信信号を用いて信号の到来方向を推定する。このように、アンテナ選択部３０１が測定された信号品質（例えば、ＳＮＲ）に基づき、方向推定に用いる複数のアンテナを選択することにより、それぞれの信号品質のもとで、全方向で成功率Ｐｒｅｑ＝０．９９を維持し、高い推定精度で方向推定を行うことが可能となる。また、アンテナを選択して方向推定を行うことで、少ない数のアンテナでの受信信号を用いて少ない演算量で信号処理を行うことが可能となる。なお、ここでは、全方向で方向推定を行う場合について説明したが、方向推定は必ずしも全方向で行うものでなくても構わない。また、成功率Ｐｒｅｑ＝０．９９の場合を取り上げたが、成功率はそれ以外の値でも構わない。また、アンテナの選択は、いずれのアンテナであっても構わない。
　このように、本実施の形態では、無線装置３００が信号品質算出部７で算出された信号品質に応じて、無線装置３００の備える複数のアンテナの中から、方向推定に用いるアンテナを選択するアンテナ選択部３０１を備える。この構成により、信号品質に応じて、方向推定を行う角度範囲の中で所定の成功率を維持しつつ、高い推定精度で信号の方向推定を行うことが可能となる。
　また、ここまでは、アンテナを選択する構成について述べたが、アンテナを選択する代わりに、アンテナを移動する構成によって、同じ目的を達成することも可能である。すなわち、アンテナ０、０’からアンテナを選択する代わりに１アンテナをアンテナ０の位置とアンテナ０’の位置のいずれかに移動して配置する構成も可能である。この場合、無線装置３００はアンテナ選択部３０１の代わりに、信号品質算出部７で算出された信号品質によって定められる位置に複数のアンテナ０、１、２を移動するアンテナ移動制御部を備える。この構成によって、アンテナを選択する場合と同様に、信号品質に応じて、方向推定を行う角度範囲の中で所定の成功率を維持しつつ、高い推定精度で信号の方向推定を行うことが可能となる。
実施の形態４．
　本実施の形態では、実施の形態１～３では、異なる無線装置が送信と受信を行う場合を示したのに対し、本実施の形態では、１つの無線装置が信号送信と信号受信を行う形態を示す。
　無線通信を行う場合、実施の形態２で示したように無線装置２００と端末装置２１０は通常異なる無線装置となる。一方、測定対象物の移動速度を測定する場合、図２０に示すように１つの無線装置４００が信号３０を送信し、測定対象物２００１で反射された信号３０を同じ無線装置４００が受信する。無線装置４００は測定対象物で反射された信号３０の到来方向を推定することができる。
　図２１に本実施の形態における無線装置４００の構成を示す。無線装置４００は、実施の形態１で示した無線装置１００の構成に加えて、送信制御部２１と信号送信部２２を備える。
　図２２に本実施の形態における無線装置４００の動作を示すフローチャートを示す。本実施の形態では、無線装置４００の送信制御部２１はこれまでの信号受信結果に基づき、次の信号送信に際して必要となる制御情報を決定し、その制御情報に基づき信号を送信するように信号送信部２２を制御する（Ｓ２２０１）。制御情報にはさまざまな形態がある。例えば、送信制御部２１は信号品質算出部７からこれまでに受信した信号の信号品質を受け取り、さらに角度範囲設定部８からこれまでに設定された角度範囲の情報を受け取り、次の信号送信で必要とされる角度範囲を考慮したうえで、必要となる送信電力または信号フォーマットを決定する。より具体的には、必要となる角度範囲が定まると、図９に示される特性曲線から、必要なＳＮＲが定まる。その必要なＳＮＲを実現するために必要な送信電力、信号フォーマットを決定する。信号送信部２２は送信制御部２１で決定された制御情報に従い、信号３０を送信する（Ｓ２２０２）。無線装置４００から送信された信号３０は測定対象物２００１で反射され、その反射波は無線装置４００で受信される（Ｓ２２０３）。無線装置４００では、実施の形態１～３と同じく受信信号の方向推定を行い（Ｓ２２０４）、測定対象物２００１の方向を検出する。
　このように、本実施の形態では、１つの無線装置が信号の送受信を行い、受信信号の方向推定を行う。
　すなわち、本実施の形態に係る無線装置４００は、自装置から送信され、測定対象物２００１で反射され、自装置で受信される信号、の方向の推定が、無線装置１００で必要な角度範囲で行われるように、送信電力又は信号フォーマットを決定する送信制御部２１と、送信制御部２１で決定された送信電力又は信号フォーマットに従い、信号を送信する信号送信部２２と、を備えたことを特徴とする。この構成によって、測定対象物２００１の存在方向及び移動速度に応じて必要となる送信電力又は信号フォーマットを用いて、測定対象物２００１の方向を推定することができ、不要な送信電力を低減することが可能となる。また、適した信号フォーマットをもつ信号３０を用いることで、広い角度範囲での方向推定が可能となる。
実施の形態５．
　実施の形態５では、実施の形態２～４における信号送信に際して、信号の送信電力または信号フォーマットを調整する一形態を示すものである。　　
　図２３に本実施の形態における各時刻での方向推定の様子を示す。実施の形態２～４で示したように、無線装置２００で受信される信号の受信電力や信号フォーマットによって、方向推定することのできる角度範囲は異なる。一方、信号の到来方向は通常、時間的に連続に変化する。
　このような特性を考慮して、本実施の形態では、端末装置２１０が時刻ｐ１、ｐ４で信号フォーマット・送信電力が規格Ｊの信号を送信し、時刻ｐ２、ｐ３、ｐ５、ｐ６で信号フォーマット・送信電力が規格Ｋの信号を送信する。ここで、規格Ｊの信号では、規格Ｋの信号よりも広い角度範囲の方向を推定できる。実施の形態２における制御情報通知部１０（図１４）または送信制御１３（図１５）でこの信号フォーマット・送信電力を決定することにより、この信号送信を行うことができる。
　図２３に示すように、この信号送信を行うと、時刻ｐ１、ｐ４で広い角度範囲２３０１２３０２の中から信号の方向を推定できる。また、時刻ｐ２、ｐ３、ｐ５、ｐ６では、時刻ｐ１、ｐ４で推定された方向を中心方向として、時刻ｐ１、ｐ４で得られる角度範囲より狭い角度範囲２３０３、２３０４、２３０５、２３０６で受信信号の方向推定を行う。
　時刻ｐ１から時刻ｐ２に至る時間での受信信号の方向の変化分が時刻ｐ２で設定する角度範囲の１／２以内であれば、時刻ｐ２でも誤りなく方向を推定できる。同様に、時刻ｐ１から時刻ｐ３に至る時間での受信信号の方向の変化分が時刻ｐ３で設定する角度範囲の１／２以内であれば、時刻ｐ３でも誤りなく方向を推定できる。
　時刻ｐ１からの時間経過が大きくなるにつれ、信号の到来方向が変化する可能性は高くなる。そこで、時刻ｐ４で再び規格Ｊの信号を送信することにより、広い角度範囲２３０２での方向推定を行う。ここで、同じ規格Ｊを用いた場合、角度範囲２３０１と角度範囲２３０２は同じ範囲となる。
　すなわち、本実施の形態では、信号の存在方向の角度範囲が広い場合には、規格Ｊの送信信号を送信し、信号の存在方向の角度範囲が限定された範囲と分かっている場合には、規格Ｋの信号を送信する。到来方向が変化する特性が分かっていれば、規格Ｊ又は規格Ｋの信号を送信する時間的なパターンはあらかじめ定めておくことが可能である。また、方向推定部９で推定された方向が設定された角度範囲のどの位置に属するかによって、次に送信される送信信号の送信電力と信号フォーマットの規格を決定することもできる。
　規格Ｋでは方向推定を行える角度範囲は規格Ｊよりも狭く、通常、規格Ｋの信号の送信電力は規格Ｊの信号の送信電力よりも小さい。従って、常に規格Ｊの信号を用いて広い角度範囲で方向推定する場合と比較して、送信電力を抑えつつ、受信信号の方向推定を行うことができる。このように、複数の規格の信号を適応的に用いることにより、適切な方向推定の性能を維持しつつ、消費電力を低減できる。その結果、周辺無線局への干渉を抑えることが可能となる。
　また、本実施の形態に係る方向推定装置５００は、第１の時刻ｐ１で第１の角度範囲２３０１を設定し、第１の時刻ｐ１よりも遅い第２の時刻ｐ２で前記第１の角度範囲２３０１よりも狭い第２の角度範囲２３０３を設定することを特徴とする。この構成によって、第１の時刻ｐ１で信号の到来方向を広い範囲で推定し、第２の時刻ｐ２では第１の時刻ｐ１で推定された方向の情報を用いることで、第１の角度範囲２３０１よりも狭い第２の角度範囲２３０３を設定しても信号の方向推定を円滑に行うことができる。また、角度範囲を狭くすることで、方向推定に必要な信号の電力を抑えることができ、信号の送信に必要となる電力を抑えることができる。
　また、同じ規格Ｊを用いた場合、角度範囲２３０１と角度範囲２３０２はともに同じ第１の角度範囲となり、本実施の形態に係る方向推定装置５００は、角度範囲設定部８は、前記第１及び前記第２の時刻ｐ１、ｐ２よりも遅い第３の時刻ｐ４で、前記第１の角度範囲を設定することを特徴とする。この構成により、広い角度範囲での方向推定が必要な時刻においてのみ広い範囲での方向推定を行うことができるため、信号の送信に必要となる電力を抑えつつ、広い範囲での方向推定能力を庁時間的に維持することができる。
実施の形態６．
　本実施の形態では、実施の形態５で示した制御の具体例として、信号３０に拡散信号を用い、信号フォーマットとして拡散信号の拡散率を決定する形態の一例を開示する。
　まず、時刻ｐ１、ｐ４において、広い角度範囲で方向推定を行う場合の制御構成について示す。図１７で示すように広範囲で高精度な方向推定を行うためには、高いＳＮＲΓが必要となる。ここで、ＳＮＲΓは整合フィルタ出力でのＳＮＲであり、整合フィルタ入力前のＳＮＲが低くても整合フィルタ出力で高いＳＮＲを得られれば、広範囲で高精度な方向推定を行える。そこで、整合フィルタ出力でのＳＮＲを向上するために、信号３０に拡散信号を用いる。具体例として、アンテナ間隔が（ｄ１、ｄ２）＝（１．４８λ、４λ）である場合に、以下の利用環境が想定される。
　　　　　利用環境）
　　　　　　　拡散信号の拡散率：ＳＦ１＝１００
　　　　　　　整合フィルタ入力前：ＳＮＲ＝０ｄＢ
　　　　　　　整合フィルタ出力後：ＳＮＲ　Γ＝２０ｄＢ
　この利用環境では、整合フィルタ出力でＳＮＲ＝２０ｄＢを確保でき、無線装置２００は全方向で高精度な方向推定を行える。このように、高い拡散率をもつ拡散信号を信号３０として用いることで、整合フィルタ入力前のＳＮＲが低い環境であっても、広範囲で高精度な方向推定を行える。実施の形態５において、規格Ｊの信号フォーマットを拡散率ＳＦ１＝１００の拡散信号とすることで、この制御は実現できる。
　時刻ｐ１（ｐ４）において、全方向に対する方向推定が行われると、無線装置２００は端末装置２１０の方向φ１を把握できる。その後の時刻ｐ２、ｐ３（ｐ５、ｐ６）における方向推定では、方向φ１を中心として、移動後の端末装置２１０の存在方向を検出する必要がある。そこで、時刻ｐ２、ｐ３の方向推定におけるＦ＝ｓｉｎφの推定範囲を以下のように設定する。
－Ｂ’／２＋ｓｉｎφ１　＜＝Ｆ＜＝　Ｂ’／２＋ｓｉｎφ１（２５）
ここで、範囲Ｂ’は端末装置２１０の移動特性を考慮して、無線装置２００であらかじめ設定される。
この方向推定は、（Ａ２）（Ａ３）において推定範囲
－Ｂ／２　＜＝Ｆ　＜＝Ｂ／２　　　　　　　　　　　（２６）
を式(２５)に置き換えた方向推定に相当する。その場合の動作は、式(１０)(１６)(１７)
におけるＢ／２をＢ’／２＋ｓｉｎφ１に置き換えることで解析できる。
　図２４にＰｒｅｑ＝０．９９、ＳＮＲ＝１０、２０、３０ｄＢ、比率ｒ＝０．３７において、式（２５）を用いた場合にＢ’／Ｂ２の取り得る最大値Ｌ（Γ、ｒ）のｓｉｎφ１に対する推移を示す。図より、ｓｉｎφ１が－１から１まで変化してもＬ（Γ、ｒ）は変化しない。ここでは、ｒ＝０．３７の場合を取り上げたが、ｒ＝０．１、０．２、．．．、０．９の場合においても同様にＬ（Γ、ｒ）はｓｉｎφ１に依存せず一定となる。このように、方向推定可能な範囲Ｂ’は方向φ１に依存せず一定になる。そこで、φ１＝０と設定すると、式(２５)は式(２６)と同じ形式となり、（Ａ３）（Ａ４）で行った解析を範囲Ｂ’にそのまま適用できる。
　そこで、時刻ｐ２、ｐ３（ｐ５、ｐ６）での方向推定では、以下の処理を行う。
（Ｓ１）無線装置２００は端末装置２１０の方向が式(２５)の範囲となるように範囲Ｂ’を決定する。
（Ｓ２）無線装置２００は範囲Ｂ’で成功率Ｐｒｅｑ＝０．９９を維持できるように次式を満たすＳＮＲ　Γを決定する。
　　　　　　　　　Ｂ’／Ｂ２＜＝Ｌ（Γ、ｒ） 
（Ｓ３）無線装置２００はＳＮＲΓの達成に必要な拡散率ＳＦ２を決定し、端末装置２１０に通知する。
（Ｓ４）端末装置２１０は拡散率ＳＦ２の拡散信号を送信し、無線装置２００では式（２５）の範囲で方向推定を行う。
　具体例として、アンテナ間隔が（ｄ１、ｄ２）＝（１．４８λ、４λ）である場合に、以下の利用環境が想定される。
　利用環境）推定範囲：Ｂ’＝１／２
　　　　(－１／４＋ｓｉｎφ１＜＝ｓｉｎφ＜＝１／４＋ｓｉｎφ１)
　　　　　　整合フィルタ入力前：ＳＮＲ＝０ｄＢ
　　　　　　整合フィルタ出力後：ＳＮＲ　Γ＝１０ｄＢ
　　　　　　既知信号の拡散率：ＳＦ２＝１０
ここでは、ＳＮＲ　Γ＝１０ｄＢを
　　　Ｂ２＝λ／ｄ２＝１／４　⇒　Ｂ’／Ｂ２＝２
　　　　　　　　　　　　　　　⇒　２＜＝Ｌ（Γ、０．３７）
と図９から導いた。実施の形態５において、規格Ｋの信号フォーマットを拡散率ＳＦ２＝１０の拡散信号とすることで、この制御は実現できる。
　このように、無線装置２００で定められた拡散率に従い、端末装置１１０が拡散信号を送信することで、無線装置２００では必要な角度範囲で方向推定を行える。　
実施の形態７．
　これまでの実施の形態では、信号品質算出部７で信号品質の測定を行ったが、本実施の形態では信号品質算出部７で信号品質の予測を行う形態を開示する。
　これまでの実施の形態では、信号品質算出部７で受信信号の信号品質を直接的に測定していた。しかし、受信信号の信号品質を直接測定しなくても、受信信号の信号品質を予測できる場合がある。例えば、初回の信号受信時に信号品質としてＳＮＲΓ１を測定し、ｎ（＝２、３、．．．）回目の受信信号と初回の受信信号と信号の電力差ｃｎを把握していれば、ｎ回目の受信信号のＳＮＲを
　　　　　　　　　　　　Γ１×ｃｎ
として予測できる。電力差情報ｃｎは、送信信号の電力の違いが分かれば把握することができる。
　例えば、図２０では、無線装置４００は信号を送信するため、ｎ（＝２、３、．．．）回目の受信信号と初回の受信信号と信号の電力差ｃｎを把握することができる。この情報を用いれば、初回の信号受信時に信号品質としてＳＮＲΓ１を測定し、その後は受信信号の信号品質を直接測定しなくても、受信信号の信号品質を予測することができる。
　このように、本実施の形態では、信号品質算出部７で信号品質の予測を行う。すなわち、これまでの実施の形態１～６において、信号品質算出部７で信号品質の測定を行っていた処理を信号品質の予測を行う処理に置き換える。この構成によって、信号受信時に毎回信号の品質測定を行わなくても、信号品質を算出することができる。また、信号を受信する前に、その受信信号の信号品質を予測できるため、事前に角度範囲設定部８で角度範囲を設定することができ、信号受信後の処理を円滑に行うことが可能となる。
０、０’、１、２、２’：アンテナ、４、５、６：整合フィルタ、７：信号品質算出部、８：角度範囲設定部、９：方向推定部、１０：制御情報通知部、１１：アンテナ、１２：信号送信部、１３：送信制御部、１４：制御情報受信部、２１：送信制御部、２２：信号送信部、３０：信号、５１：振幅、５２：雑音、１００：無線装置、１１０：端末装置、２００：無線装置、２１０：端末装置、３００：無線装置、３０１：アンテナ選択部、３０２、３０３：スイッチ、４００：無線装置、５００：方向推定装置、１００１：メインローブ、１００２：サイドローブ、１００３：グレーティングローブ、１００４：利得差、１００５、１００６：角度範囲、１１０１：処理回路、１２０１：処理回路、１２０２：メモリ、２００１：測定対象物、２３０１、２３０２、２３０３、２３０４、２３０５、２３０６：角度範囲

Claims (11)

  1. 　複数のアンテナを用いて受信される信号の品質を測定又は予測する信号品質算出部と、
    前記信号品質算出部で測定又は予測された信号の品質に応じて、前記信号の到来方向を推定する角度範囲を設定する角度範囲設定部と、
    前記角度範囲設定部で設定された角度範囲で前記信号の到来方向を推定する方向推定部と、
    を備えたことを特徴とする方向推定装置。
  2. 　前記信号品質算出部は、前記信号の信号対雑音電力比を前記品質として測定又は予測することを特徴とする請求項１に記載の方向推定装置。
  3. 　前記角度範囲設定部は、第１の時刻で第１の角度範囲を設定し、前記第１の時刻よりも遅い第２の時刻で前記第１の角度範囲よりも狭い第２の角度範囲を設定する
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方向推定装置。
  4. 　前記角度範囲設定部は、前記第２の時刻よりも遅い第３の時刻で、前記第１の角度範囲を設定する
    ことを特徴とする請求項３に記載の方向推定装置。
  5. 　無線伝送された信号を前記複数のアンテナを用いて受信し、請求項１から４のいずれか１項に記載の方向推定装置を用いて、前記信号に対する方向推定を行うことを特徴とする無線装置。
  6. 　前記信号品質算出部で測定又は予測された信号の品質に応じて、
    前記複数のアンテナの中から、方向推定に用いるアンテナを選択するアンテナ選択部、
    を備えることを特徴とする請求項５に記載の無線装置。
  7. 　前記信号品質算出部で測定又は予測された信号の品質によって定められる位置に
    前記複数のアンテナを移動するアンテナ移動制御部、
    を備えることを特徴とする請求項５に記載の無線装置。
  8. 　自装置から送信され受信局で受信される信号の方向の推定が、該受信局で必要な角度範囲で行われるように、送信電力又は信号フォーマットを決定する送信制御部と、
    前記送信制御部で決定された送信電力又は信号フォーマットに従い、信号を送信する信号送信部と、
    を備えたことを特徴とする無線装置。
  9. 　前記受信局で受信される信号は拡散信号であり、
    　前記信号フォーマットは、前記拡散信号の拡散率を含む
    ことを特徴とする請求項８に記載の無線装置。
  10. 　前記受信局で受信される信号はチャープ信号であり、
    　前記信号フォーマットは、前記チャープ信号のチャープレートを含む
    ことを特徴とする請求項８に記載の無線装置。
  11. 　前記受信局を含み、
    前記受信局は前記送信された信号が測定対象物で反射された信号を受信する
    ことを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の無線装置。
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