(57)【要約】【課題】複数の移動体端末との間で、端末間の干渉を抑制しつつ、マルチユーザＭＩＭＯ通信を行うことが可能な追尾アンテナ装置を提供する。【解決手段】追尾アンテナ制御部２０は、追尾アンテナ１０．１〜１０．ｍの指向方向を複数の移動局に対して追尾するように制御する。移動体位置推定部４６は、移動局の位置を推定する。伝搬路予測部４２は、受信信号により検知された伝搬路行列と、推定された移動局の位置に基づいて算出される複数の追尾アンテナの各々が移動局を見込む見込み角度と、複数の追尾アンテナの各々と移動局との距離とにより、複数の追尾アンテナから信号を送出するタイミングでの伝搬路行列を予測し、重み係数制御部４４は、予測された伝搬路行列に基づいて、重み行列を算出する。【選択図】図４
2014168125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の追尾アンテナと、
前記複数の追尾アンテナの指向方向を複数の移動局に対して追尾するように制御する指向方向追尾手段と、
前記複数の移動局にそれぞれ対応する送信情報のストリームに対して、前記複数の移動局との間で個別に送信するための重み行列を乗算して、前記複数の追尾アンテナから送出するための送信手段と、
前記移動局の位置を推定するための移動体位置推定手段と、
前記複数の追尾アンテナからの受信信号により検知された伝搬路行列と、推定された前記移動局の位置に基づいて算出される前記複数の追尾アンテナの各々が前記移動局を見込む見込み角度と、前記複数の追尾アンテナの各々と前記移動局との距離とにより、前記複数の追尾アンテナから信号を送出するタイミングの伝搬路行列を予測する伝搬路予測手段と、
予測された前記伝搬路行列に基づいて、前記重み行列を算出する重み係数制御手段とを含む、追尾アンテナ装置。
【請求項２】
前記伝搬路予測手段は、
前記追尾アンテナの指向特性の見込み角度依存関数と前記距離に対する伝搬特性関数との積についての、前記距離前記受信信号により前記伝搬路行列を検出した第１のタイミングにおける第１の値と、前記複数の追尾アンテナから信号を送出する第２のタイミングでの第２の値の比により伝搬路の変化量を推定し、前記変化量と前記第１のタイミングで検知された伝搬路行列とから、前記第２のタイミングの前記伝搬路行列を予測する、請求項１記載の追尾アンテナ装置。
【請求項３】
前記伝搬路予測手段は、
前記移動局の移動局アンテナが指向性を有する場合、前記移動局アンテナが前記追尾アンテナを見込む角度に応じた前記移動局アンテナの指向特性を加えて、前記比の値を算出する、請求項２記載の追尾アンテナ装置。
【請求項４】
前記伝搬路予測手段は、
前記追尾アンテナの指向特性の見込み角度依存関数と前記距離に対する伝搬特性関数との積についての、前記受信信号により前記伝搬路行列を検出した第１のタイミングにおける第１の値と、前記複数の追尾アンテナから信号を送出する第２のタイミングで前記複数のアンテナの指向方向を仮想角度だけ変化させたときの第２の値の比により伝搬路の仮想変化量を推定し、前記仮想変化量と前記第１のタイミングで検知された伝搬路行列とから、前記第２のタイミングの前記伝搬路行列を算出して、前記移動局との間の通信品質を表す評価関数が所定の条件を満たす充足角度を導出し、前記充足角度に対応する前記伝搬行列を前記第２のタイミングの前記伝搬路行列として予測し、
前記指向方向追尾手段は、前記複数の追尾アンテナを前記充足角度分、指向方向を変化させる、請求項１記載の追尾アンテナ装置。
【請求項５】
前記伝搬路予測手段は、
前記移動局の移動局アンテナが指向性を有する場合、前記移動局アンテナが前記追尾アンテナを見込む角度に応じた前記移動局アンテナの指向特性を加えて、前記比の値を算出する、請求項４記載の追尾アンテナ装置。
【請求項６】
複数の追尾アンテナと、
前記複数の追尾アンテナの指向方向を複数の移動局に対して追尾するように制御する指向方向追尾手段と、
前記複数の追尾アンテナからの受信信号に対して、前記複数の移動局との間で個別に受信するための重み行列を乗算して、前記複数の移動局にそれぞれ対応する受信情報のストリームに分離するための受信手段と、
前記移動局の位置を推定するための移動体位置推定手段と、
前記複数の追尾アンテナからの受信信号により検知された伝搬路行列と、推定された前記移動局の位置に基づいて算出される前記複数の追尾アンテナの各々が前記移動局を見込む見込み角度と、前記複数の追尾アンテナの各々と前記移動局との距離とにより、前記複数の追尾アンテナからの信号を分離するタイミングの伝搬路行列を予測する伝搬路予測手段と、
予測された前記伝搬路行列に基づいて、前記重み行列を算出する重み係数制御手段とを含む、追尾アンテナ装置。
【請求項７】
前記伝搬路予測手段は、
前記追尾アンテナの指向特性の見込み角度依存関数と前記距離に対する伝搬特性関数との積についての、前記受信信号により前記伝搬路行列を検出した第１のタイミングにおける第１の値と、前記複数の追尾アンテナから信号を分離する第２のタイミングで前記複数のアンテナの指向方向を仮想角度だけ変化させたときの第２の値の比により伝搬路の仮想変化量を推定し、前記仮想変化量と前記第１のタイミングで検知された伝搬路行列とから、前記第２のタイミングの前記伝搬路行列を算出して、前記移動局との間の通信品質を表す評価関数が所定の条件を満たす充足角度を導出し、前記充足角度に対応する前記伝搬行列を前記第２のタイミングの前記伝搬路行列として予測し、
前記指向方向追尾手段は、前記複数の追尾アンテナを前記充足角度分、指向方向を変化させる、請求項６記載の追尾アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体を追尾する追尾アンテナ装置に関し、より特定的には、複数の移動体との間で、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ Ｏｕｔｐｕｔ：多入力多出力）方式の通信を行う追尾アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体との間で無線通信を行うシステムでは、限られた周波数で、移動体と高速で安定した通信を実現するために、移動体の位置に適合させて、基地局からのビームの指向性を制御することが行われる。
【０００３】
たとえば、車載の移動端末に対して、複数のアンテナ素子を使って所望の方向に電波を向けて不要な電波の影響を受けないようにし、基地局から移動する端末が存在する位置に限ってビームを向けて通信するアダプティブアレイアンテナ技術が知られている（特許文献１を参照）。
【０００４】
特許文献１に開示された技術では、高速に移動する移動端末と通信する基地局は、移動端末の位置情報および移動度情報を移動端末から受け、新たな位置情報もしくは移動度情報が入力されるまでの間はそれまでに入力された位置情報および移動度情報に基づいて移動端末の現在位置情報を順次推定算出し、推定算出された現在位置情報に対するアンテナ制御パラメータを決定し、移動端末に対するアンテナビームを複数のアンテナ系列を用いて形成している。
【０００５】
また、衛星通信のように所定の軌道を周回する飛翔体と地上の基地局との間で通信を行う場合には、基地局側の追尾アンテナ装置は、各種センサ情報や通信の相手方からの受信信号から指向方向推定や指向方向誤差量を検出し、指向性アンテナの指向方向（仰角および方位角）を機械的に制御を行う場合がある（非特許文献１）。
【０００６】
さらに、特許文献２には、このような機械的な制御を行う追尾アンテナ装置の構成に、フェーズドアレイアンテナの構成を結合させることにより、追尾アンテナ装置が、各指向性アンテナの機械的な指向方向の追尾を行う機構を備えるとともに、各指向性アンテナについて粗調整した指向方向を、さらに各アンテナの励振位相および振幅を調整する電気的指向方向制御を行うことにより、高い追尾性能を得ることができる追尾アンテナ装置が開示されている。この場合、追尾アンテナ装置において、各指向性アンテナの指向方向を機械的に追尾する機構は、分解能の高い高精度な追尾機能を必要とせず粗調整だけで対応できるので、簡単な構成で軽量化および低コスト化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２１７２２８号公報
【特許文献２】特開２０１２−４４５９６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】井上他，次世代ブロードバンド実現に向けた船舶用アンテナシステム， Journal of the JIME vol.41 ， No.6(2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ただし、特許文献１に開示された発明では、高速に移動する移動端末との通信を目的とするものであるものの、移動端末同士での干渉が大きくなる状況においてマルチユーザＭＩＭＯ通信をすることについては想定していない。むしろ、複数の移動端末が限られたエリアでかたまってほぼ同じ動き方をしている場合に、仮想的に代表端末として位置を推定して同一パラメータでアンテナ制御することにより、複数の移動端末が一斉に基地局の近傍を高速で移動する環境においても移動端末をビームで追従する、という技術である。
【００１０】
また、特許文献２に開示された技術も、基本的には、フェーズドアレイは、１つの衛星の追尾のための制御を想定したものであって、マルチユーザＭＩＭＯ通信を想定したものではない。
【００１１】
図１２は、マルチユーザＭＩＭＯの構成の概念を示す図である。
【００１２】
図１２においては、基地局が送信、移動局が受信のマルチユーザＭＩＭＯの例を示す。
【００１３】
このとき、基地局の送信信号Ｓ1，Ｓ2と移動局の受信信号Ｒ1，Ｒ2は下記の関係式で表される。
【００１４】
【数１】
2014168125.tif 000003
ここで、送信信号を受信信号の関係を規定する行列Ｈは、「伝搬路行列」（または「チャネル応答行列」）と呼ばれる。
【００１５】
送信信号Ｓ1，Ｓ2を下記数式で表される値になるようにして送信（送信プリコーディング）すると、受信側の移動局では送信情報Ｔ1，Ｔ2が干渉なく受信される。
【００１６】
【数２】
2014168125.tif 000004
ここで、送信情報Ｔ1，Ｔ2は、それぞれ、各移動局（ユーザ）に対する送信ストリームである。上式のようなプリコーディングは、ゼロフォーシング法と呼ばれる方式である。プリコーディングの手法は、これに限られないが、原理的には、送信情報Ｔ1，Ｔ2に対して、重み行列を乗算することで送信信号を生成し、受信側の移動局での、送信情報Ｔ1，Ｔ2の間の干渉が小さくなるように、所定の規範に基づいて重み行列が算出される。
【００１７】
図１３は、移動局が移動する場合の行列Ｈの要素の時間変化と予測値との関係を示す概念図である。
【００１８】
図１３（ａ）に示すように、行列Ｈの要素は、移動局の移動によって時間とともに変動する。
【００１９】
このとき、例えば、ＴＤＤ（Time Division Duplex：時分割複信）システムの場合、基地局は移動局からの受信タイミングでの受信信号から行列Ｈを検出する。
【００２０】
ＴＤＤでは、受信と送信は同時にできないので、基地局の送信時は、過去の受信信号から送信タイミングでの伝搬路行列Ｈを予測し、行列Ｈの逆行列Ｈ-1を求めることになる。
【００２１】
図１３（ｂ）に示すように、この場合の予測方法は、線形予測や多項式近似などが一般的である。
【００２２】
この場合、たとえば、移動局が、道路や線路のような所定の軌道に沿って運動している場合は、このような予測が妥当な場合が多い。
【００２３】
しかしながら、移動局が飛行機のように自由な軌道を運動しており、かつ、上述したようなマルチユーザＭＩＭＯ通信を行う場合には、伝搬路行列の予測が単純な過去からの外挿値では不十分な場合がある。このようなことは、上述したように移動局が所定の軌道に沿って運動している場合であっても、たとえば、交差する軌道に対して、複数の移動局が異なる方向に運動しているような場合にも発生しうる。
【００２４】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、複数の移動体端末との間で、端末間の干渉を抑制しつつ、マルチユーザＭＩＭＯ通信を行うことが可能な追尾アンテナ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
この発明の１つの局面に従うと、追尾アンテナ装置であって、複数の追尾アンテナと、複数の追尾アンテナの指向方向を複数の移動局に対して追尾するように制御する指向方向追尾手段と、複数の移動局にそれぞれ対応する送信情報のストリームに対して、複数の移動局との間で個別に送信するための重み行列を乗算して、複数の追尾アンテナから送出するための送信手段と、移動局の位置を推定するための移動体位置推定手段と、複数の追尾アンテナからの受信信号により検知された伝搬路行列と、推定された移動局の位置に基づいて算出される複数の追尾アンテナの各々が移動局を見込む見込み角度と、複数の追尾アンテナの各々と移動局との距離とにより、複数の追尾アンテナから信号を送出するタイミングの伝搬路行列を予測する伝搬路予測手段と、予測された伝搬路行列に基づいて、重み行列を算出する重み係数制御手段とを含む。
【００２６】
好ましくは、伝搬路予測手段は、追尾アンテナの指向特性の見込み角度依存関数と距離に対する伝搬特性関数との積についての、距離受信信号により伝搬路行列を検出した第１のタイミングにおける第１の値と、複数の追尾アンテナから信号を送出する第２のタイミングでの第２の値の比により伝搬路の変化量を推定し、変化量と第１のタイミングで検知された伝搬路行列とから、第２のタイミングの伝搬路行列を予測する。
【００２７】
好ましくは、伝搬路予測手段は、移動局の移動局アンテナが指向性を有する場合、移動局アンテナが追尾アンテナを見込む角度に応じた移動局アンテナの指向特性を加えて、比の値を算出する。
【００２８】
好ましくは、伝搬路予測手段は、追尾アンテナの指向特性の見込み角度依存関数と距離に対する伝搬特性関数との積についての、受信信号により伝搬路行列を検出した第１のタイミングにおける第１の値と、複数の追尾アンテナから信号を送出する第２のタイミングで複数のアンテナの指向方向を仮想角度だけ変化させたときの第２の値の比により伝搬路の仮想変化量を推定し、仮想変化量と第１のタイミングで検知された伝搬路行列とから、第２のタイミングの伝搬路行列を算出して、移動局との間の通信品質を表す評価関数が所定の条件を満たす充足角度を導出し、充足角度に対応する伝搬行列を第２のタイミングの伝搬路行列として予測し、指向方向追尾手段は、複数の追尾アンテナを充足角度分、指向方向を変化させる。
【００２９】
好ましくは、伝搬路予測手段は、移動局の移動局アンテナが指向性を有する場合、移動局アンテナが追尾アンテナを見込む角度に応じた移動局アンテナの指向特性を加えて、比の値を算出する。
【００３０】
この発明の他の局面に従うと、追尾アンテナ装置であって、複数の追尾アンテナと、複数の追尾アンテナの指向方向を複数の移動局に対して追尾するように制御する指向方向追尾手段と、複数の追尾アンテナからの受信信号に対して、複数の移動局との間で個別に受信するための重み行列を乗算して、複数の移動局にそれぞれ対応する受信情報のストリームに分離するための受信手段と、移動局の位置を推定するための移動体位置推定手段と、複数の追尾アンテナからの受信信号により検知された伝搬路行列と、推定された移動局の位置に基づいて算出される複数の追尾アンテナの各々が移動局を見込む見込み角度と、複数の追尾アンテナの各々と移動局との距離とにより、複数の追尾アンテナからの信号を分離するタイミングの伝搬路行列を予測する伝搬路予測手段と、予測された伝搬路行列に基づいて、重み係数を算出する重み係数制御手段とを含む。
【００３１】
好ましくは、伝搬路予測手段は、追尾アンテナの指向特性の見込み角度依存関数と距離に対する伝搬特性関数との積についての、距離受信信号により伝搬路行列を検出した第１のタイミングにおける第１の値と、複数の追尾アンテナから信号を分離する第２のタイミングで複数のアンテナの指向方向を仮想角度だけ変化させたときの第２の値の比により伝搬路の仮想変化量を推定し、仮想変化量と第１のタイミングで検知された伝搬路行列とから、第２のタイミングの伝搬路行列を算出して、移動局との間の通信品質を表す評価関数が所定の条件を満たす充足角度を導出し、充足角度に対応する伝搬行列を第２のタイミングの伝搬路行列として予測し、指向方向追尾手段は、複数の追尾アンテナを充足角度分、指向方向を変化させる。
【発明の効果】
【００３２】
この発明の追尾アンテナ装置によれば、複数の移動体端末との間で、端末間の干渉を抑制しつつ、マルチユーザＭＩＭＯ通信を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施の形態１の追尾アンテナ装置を含む無線通信システムの構成を示す概念図である。
【図２】基地局と移動局の位置関係の変化を示す図である。
【図３】基地局に対して移動局が移動した場合の伝搬路行列の時間変化を示す図である。
【図４】基地局２００の構成を説明するための機能ブロック図である。
【図５】伝搬路予測部４２の行う処理に用いるパラメータを示す概念図である。
【図６】予測された伝搬路行列の要素の予測値ｈ’mn（Ｔb）を示す図である。
【図７】実施の形態２の基地局２００’の構成を説明するための機能ブロック図である。
【図８】実施の形態３の追尾アンテナ装置を含む無線通信システムの構成を示す概念図である。
【図９】実施の形態３の基地局２００”の構成を説明するための機能ブロック図である。
【図１０】伝搬路予測部４２’の処理を説明するための概念図である。
【図１１】追尾アンテナ制御部２０’による指向性アンテナ１０．ｍの指向方向の制御を説明するための図である。
【図１２】マルチユーザＭＩＭＯの構成の概念を示す図である。
【図１３】移動局が移動する場合の行列Ｈの要素の時間変化と予測値との関係を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態の追尾アンテナ装置を含む無線通信システムについて、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。
[実施の形態１]
図１は、実施の形態１の追尾アンテナ装置を含む無線通信システムの構成を示す概念図である。
【００３５】
空中や海上など、基地局から見通しの良い領域で無線通信を行う場合、高利得の指向性アンテナで移動局を追尾する方法により到達距離を長くできる。ここでは、特に限定されないが、たとえば、移動局１００．１および１００．２は飛行機であるものとする。
【００３６】
図１においては、追尾アンテナ装置を有し、移動局方向にアンテナを指向させることが可能な基地局２００は、複数の指向性アンテナ１０．１〜１０．ｍ（ｍ：自然数）により、移動局１００．１および移動局１００．２とマルチユーザＭＩＭＯ通信をしている。
【００３７】
たとえば、基地局２００は、２本の指向性アンテナ１０．１および１０．２を備えており、各移動局１００．１および１００．２の各々は、１本のアンテナ２を備える。
（伝搬路行列の予測が単純な過去からの外挿値では不十分な場合）
以下では、図１に示すような構成において、伝搬路行列の予測が単純な過去からの外挿値では不十分な場合について、説明する。
【００３８】
図２は、基地局と移動局の位置関係の変化を示す図である。
【００３９】
図３は、基地局に対して移動局が移動した場合の伝搬路行列の時間変化を示す図である。
【００４０】
図２（ａ）に示すように、時刻Ｔ1から時刻Ｔ2までは、移動局１００．１および１００．２は接近する方向に移動しているので、伝搬路行列Ｈのうち干渉を表す要素ｈ12，ｈ21は、図３に示すように増加する。
【００４１】
しかし、図２（ｂ）に示すように、時刻Ｔ2において移動局１００．１および１００．２が最接近した後に、時刻Ｔ2以降は離れて行くとする。したがって、時刻Ｔ2以降は、図３に示すように、干渉を表す要素ｈ12，ｈ21は、減少する。
【００４２】
このように、伝搬路行列の要素の変動の傾向が急に変わる場合、過去の伝搬路情報に基づく予測方法では予測誤差が大きくなってしまう。
（基地局２００の動作）
基地局２００は、上記のような予測誤差の増大を抑制するために、以下のような動作をする。
【００４３】
すなわち、基地局２００は、移動局を追尾する方向を定めるために、移動局の移動経路に関する情報を予め記憶装置などに格納しておき、追尾アンテナ制御部２０は、この移動経路の情報に従って、指向性アンテナ１０．１および１０．２の指向方向を制御する。このような指向性の制御は、上述したような機械的な制御を用いることができる。ただし、機械的な制御は粗動として、フェーズドアレイのような電子的な制御によりより正確な指向性を制御する構成としてもよい。
【００４４】
この場合、基地局の追尾アンテナ制御部２０は、将来における各移動局の位置と、これに対応して移動局方向を指向するように駆動される追尾アンテナの指向方向を予め把握していることになる。基地局の伝搬路予測部４２は、追尾アンテナ制御部２０からの移動経路情報と、追尾アンテナの指向方向から、以下の情報を、後に説明するように、精度よく予測することができる。
【００４５】
ｉ）各追尾アンテナから各移動局を見込む角度の変化
ｉｉ）各追尾アンテナと各移動局の距離の変化
基地局２００もＴＤＤで動作するものとすると、これらの情報と、予め取得してある追尾アンテナの指向特性を用いて、送信タイミングでの伝搬路の振幅、位相の予測精度を向上させることが可能となる。
【００４６】
図４は、基地局２００の構成を説明するための機能ブロック図である。
【００４７】
図４を参照して、基地局２００は、第１から第ｍの指向性アンテナ１０．１〜１０．ｍ、送信装置３０．１および３０．２、重み制御部４０、受信装置５０．１および５０．２を含む。上述のとおり、ここでは、特に限定されないが、説明の便宜のために、指向性アンテナの本数ｍは２本であるものとし、２つの移動局１００．１および１００．２との間でマルチユーザＭＩＭＯ通信を行うものとして説明する。
【００４８】
指向性アンテナ１０．１〜１０．２は、追尾アンテナ制御部２０により制御される駆動機構１２．１および１２．２により、それぞれ、指向方向が制御される。追尾アンテナ制御部２０は、記憶部４８に格納された移動局の移動経路の情報に基づいて、移動体位置推定部４６が推定する移動体の位置に応じて、指向性アンテナ１０．１〜１０．２の指向性を、制御する。
【００４９】
送信装置３０．１は、マルチユーザＭＩＭＯ通信において送信される第１の送信ストリームである送信情報Ｔ1を変調する変調部３２．１と、変調部３２．１の出力および後述の送信装置３０．２に含まれる変調部３２．２の出力に対して重み制御部４０により算出される重み行列ｗ11〜ｗ22を乗算する処理のうち、指向性アンテナ１０．１からの送信信号Ｓ１の生成に関わる乗算処理部３４．１とを含む。
【００５０】
乗算処理部３４．１からの出力は、指向性アンテナ１０．１より送出される。
【００５１】
送信装置３０．２は、マルチユーザＭＩＭＯ通信において送信される第２の送信ストリームである送信情報Ｔ2を変調し、重み行列を乗算し、指向性アンテナ１０．２から送出するために、送信装置３０．１と同様の構成を有する。
【００５２】
受信装置５０．１は、指向性アンテナ１０．１〜１０．２により受信される信号に対して、重み制御部４０により算出される重み行列を乗算して移動局１００．１からの信号を分離するための乗算処理部５２．１と、乗算処理部５２．１の出力を復調することにより、第１の受信ストリームを受信信号Ｒ1として出力する復調部５４．１とを含む。受信装置５０．２は、指向性アンテナ１０．１〜１０．２により受信される信号に対して、重み制御部４０により算出される重み行列を乗算して移動局１００．２からの信号を分離し、復調することにより、第２の受信ストリームを受信信号Ｒ2として出力するために、受信装置５０．１と同様の構成を有する。
【００５３】
重み制御部４０は、指向性アンテナ１０．１〜１０．２により受信される信号により受信タイミングＴaにおける伝搬路行列Ｈを推定し、以下に説明するように、追尾アンテナ制御部２０からの情報により、送信タイミングＴbにおける伝搬路行列を予測する伝搬路予測部４２を含む。
【００５４】
図５は、このような伝搬路予測部４２の行う処理に用いるパラメータを示す概念図である。
【００５５】
ここで、受信タイミングＴaにおける伝搬路行列Ｈの検出は、従来技術と同様にして実行することができるものとする。
【００５６】
さらに、伝搬路予測部４２は、移動経路と追尾アンテナ指向特性から伝搬路の変化量を予測する。
【００５７】
すなわち、伝搬路予測部４２は、移動体位置推定部４６により推定され追尾アンテナ制御部２０に与えられた移動局１００．ｎ（ｎ＝１，２）の位置情報および追尾アンテナ制御部２０からの追尾アンテナの指向方向の情報を基に、時刻ｔにおける指向性アンテナ１０．ｍ（ｍ＝１，２）の指向方向を基準にしたときの、移動局１００．ｎを見込む角度θmn(ｔ)と、指向性アンテナ１０．ｍと移動局１００．ｎ間の距離Ｄmn(ｔ)とを算出する。
【００５８】
さらに、伝搬路予測部４２は、指向性アンテナ１０．ｍの指向特性をＧm(θ)と、距離に対する伝搬特性をＰ（Ｄ）と、伝搬路Ｈを検出した時刻を時刻Ｔaと、送信タイミングを時刻Ｔbとすると、指向性アンテナ１０．ｍと移動局１００．ｎ間の伝搬路の変化量Δmnを以下のように算出する。
【００５９】
【数３】
2014168125.tif 000005
これら変数のうち、θmn(t)およびＤmn(t)は移動経路から、Ｇm(θ)およびＰ（Ｄ）は理論式や運用に先立って別途行う測定などから、予め知り得るものである。
【００６０】
伝搬路予測部４２は、時刻Ｔaで検出した伝搬路情報の各要素ｈmn(Ｔa)に対し、変化量Δmnを乗算することで、時刻Ｔbにおける伝搬路行列の要素の予測値ｈ’mn（Ｔb）を以下のようにして得る。
【００６１】
【数４】
2014168125.tif 000006
図６は、このようにして予測された伝搬路行列の要素の予測値ｈ’mn（Ｔb）を示す図である。
【００６２】
図３の場合と異なり、予測した変化量Δmnを用いることで、予測の精度が向上する。
【００６３】
重み係数制御部４４は、伝搬路予測部４２により算出された伝搬路情報予測値ｈ’mn（Ｔb）に基づいて、送信装置３０．１および３０．２に与える重み行列ｗ11〜ｗ22を算出する。重み行列の算出は、特に限定されないが、上述したようなゼロフォーシング法によることが可能である。
【００６４】
以上のような追尾アンテナ装置の構成および動作により、複数の移動体端末との間で、端末間の干渉を抑制しつつ、マルチユーザＭＩＭＯ通信を行うことが可能である。特に、移動体同志が近接した後に遠ざかる場合のように、伝搬路行列の要素の時間変化の様相が大きく変化するような場合でも、干渉の抑制を有効に行うことができる。
【００６５】
なお、伝搬路行列の要素の予測値ｈ’mn（Ｔb）の算出方法としては、上述したような方法に限らず、たとえば、以下のような方法を用いてもよい。
【００６６】
ｉ）線形予測（または多項式近似による予測）による伝搬路行列の要素の予測値と、上述したような予測した変化量Δmnを用いた伝搬路行列の要素の予測値ｈ’mn(Ｔb)との中間値を予測値として用いる。
【００６７】
ｉｉ）特定の条件の場合では、予測した変化量Δmnを用いた伝搬路行列の要素の予測値ｈ’mn(Ｔb)を予測値として用い、それ以外の場合は、線形予測（または多項式近似による予測）による伝搬路行列の要素の予測値を用いる。
【００６８】
ここで、「特定の条件」の例としては、たとえば、以下のいずれかを条件として用いることができる：
ａ）線形予測（または多項式近似による予測）による伝搬路行列の要素の予測値と、予測した変化量Δmnを用いた伝搬路行列の要素の予測値ｈ’mn(Ｔb)との（大きさまたは位相の）差が、所定のしきい値よりも大きい場合
ｂ）予測した変化量Δmnが所定のしきい値よりも大きい場合
ｃ）ａ）またはｂ）のいずれか一方の条件が満たされた場合
また、移動局のアンテナも指向性を有する場合、上述したような変化量Δmnの予測に加えて移動局側のアンテナ指向性を考慮する方法が好ましい。
【００６９】
すなわち、時刻ｔにおける移動局１００．ｎ（ｎ＝１，２）の進行方向を基準に、指向性アンテナ１０．ｍを見込む角度を角度φnm(t)とし、移動局１００．ｎのアンテナ指向特性を指向性Ｕn(φ)とすれば、指向性アンテナ１０．ｍと移動局１００．ｎ間の伝搬路の変化量Δmnは、以下のように表される：
【００７０】
【数５】
2014168125.tif 000007
ここで、φnm(t) は移動経路から、Ｕn(φ) は理論式や運用に先立って別途行う測定などから、予め知り得るものである。
【００７１】
したがって、このような予測した変化量Δmnを用いることで、前述の方法と同様にして、伝搬路予測部４２が、伝搬路行列の要素の予測値ｈ’mn（Ｔb）を得て、重み係数制御部４４が重み行列を算出することとしてもよい。
[実施の形態２]
図７は、実施の形態２の基地局２００’の構成を説明するための機能ブロック図である。
【００７２】
実施の形態１の基地局２００では、移動体位置推定部４６は、予め記憶部４８に格納されていた経路情報に基づいて、移動体（移動局）の位置を推定するものとした。
【００７３】
これに対して、実施の形態２の移動局２００’においては、予め移動局の移動経路が設定されているわけではなく、基地局２００’からの制御信号により移動局１００．１および１００．２の移動方向や速度を制御するための移動体制御部６０を備える。すなわち、移動体制御部６０からの制御信号は、変調部３２．１および３２．２を経て、指向性アンテナ１０．１および１０．２から送出される。この場合、制御量は基地局２００’側でわかっていることになるので、移動体位置推定部４６は、制御後の移動局位置を予測する。
【００７４】
したがって、実施の形態２の移動局２００’では、実施の形態１の基地局２００の構成において、移動経路の情報を格納していた記憶部４８に代えて、移動体制御部６０が設けられる構成となっている以外は、実施の形態１の基地局２００の構成と同様であるので、同一部分についての説明は、繰り返さない。
【００７５】
実施の形態２の基地局２００’の構成および動作によっても、実施の形態１の基地局２００と同様の効果を奏することが可能である。
[実施の形態３]
図８は、実施の形態３の追尾アンテナ装置を含む無線通信システムの構成を示す概念図である。
【００７６】
実施の形態１または実施の形態２では、指向性アンテナ１０．ｍは、移動局の方向を指向するよう駆動される前提で伝搬路を予測した。
【００７７】
実施の形態３の基地局２００”では、以下に説明するように、移動経路に基づき、通信品質の観点で最適な追尾アンテナの指向方向を定め、この方向に追尾アンテナを駆動する構成である。
【００７８】
特に、移動局間が近接する場合など、移動局方向そのものを指向するより、干渉を受ける他の移動局に対して指向性利得が減少するような方向を指向した方が通信品質が改善する場合がある。
【００７９】
したがって、実施の形態３の基地局２００”は、移動局の移動経路に基づき、通信品質に関する指標を最大化、あるいは所定の値より大きくなるように追尾アンテナの指向方向を制御する構成とする。
【００８０】
このため、追尾アンテナ制御部２０は、移動体の移動経路の情報だけでなく、伝搬路予測部４２´からの情報にも基づいて、アンテナの指向方向を制御する。
【００８１】
図９は、実施の形態３の基地局２００”の構成を説明するための機能ブロック図である。
【００８２】
以下に説明するように、実施の形態１の基地局２００の構成または実施の形態２の基地局２００’の構成において、伝送路予測部４２´の構成および追尾アンテナ制御部２０´の構成以外は、実施の形態１の基地局２００の構成または実施の形態２の基地局２００’の構成と同様であるので、同一部分についての説明は、繰り返さない。
【００８３】
図９においては、実施の形態１の基地局２００の構成を基にして、実施の形態３の基地局２００”の構成を説明している。
【００８４】
まず、伝搬路行列Ｈに依存して、基地局と移動局間の通信品質を表す評価関数Ｅ（Ｈ）が、予め定められているものとする。
【００８５】
ここで、評価関数Ｅ（Ｈ）の例としては、各移動局におけるＣ／（Ｎ＋Ｉ）の平均値あるいは最小値（ただし、Ｃ：信号電力、Ｎ：雑音電力、Ｉ：干渉電力）や、伝搬路行列Ｈによって定まる相関行列の固有値の平均値あるいは最小値などが挙げられる。
【００８６】
ここで、例えば、Ｃ／（Ｎ＋Ｉ）の平均値を評価関数にする場合を具体的に説明する。
【００８７】
第ｎ番目の移動局のＣ／（Ｎ＋Ｉ）をＣＮＲnとすると、ＣＮＲnおよびＥ（Ｈ）は以下の式で表される。
【００８８】
ＣＮＲn＝｜ｈmm｜2／（Σ｜ｈmn｜2＋Ｎn）
Ｅ（Ｈ）＝average（ＣＮＲn）
ここで、Σは、m≠nで和をとることを意味し、average（ＣＮＲn）は、ＣＮＲnの移動局についての平均をとることを意味する。また、Ｎnは第n番目の移動局に係わる雑音電力であり、別途知り得るものである。
【００８９】
図１０は、伝搬路予測部４２’の処理を説明するための概念図である。
【００９０】
伝搬路予測部４２’は、指向性アンテナ１０．ｍの角度を、時刻Ｔaでの移動局の方向から、時刻Ｔbにかけてδm（ｍ＝１，２）だけ回転させたと仮定し、その場合の伝搬路の変化量（仮想変化量）を予測する。すなわち、指向性アンテナ１０．ｍと移動局１００．ｎ間の伝搬路の仮想変化量εmnは、以下の式で表される：
【００９１】
【数６】
2014168125.tif 000008
ただしγmは、時刻Ｔaにおける指向性アンテナ１０．ｍの指向方向と移動局の方向との差である。また、θmn(t)およびＤmn(t)、Ｇm(θ)およびＰ（Ｄ）は、実施の形態１と同様である。
【００９２】
伝搬路予測部４２’は、時刻Ｔaで検出した伝搬路情報の各要素hmn(Ｔa)に対し、仮想変化量εmnを乗算することで、時刻Ｔbにおける仮想伝搬路行列要素ｈ”mn(Ｔb, δm)を得る。
【００９３】
【数７】
2014168125.tif 000009
また、ｈ”mn(Ｔb, δm)で構成される伝搬路行列を仮想伝搬路行列Ｈ”とする。
【００９４】
仮想伝搬路行列Ｈ”について、評価関数Ｅ（Ｈ”）を求め、これが最大となる、あるいは所定の値より大きくなる角度δm（充足角度）を探索し、角度δm,optとする。なお、図１０においては、説明の簡単のために、アンテナの指向方向は、２次元内で記載しているが、実際には、仮想的な回転角δmは、仰角および方位角の２つの要素を含む。
【００９５】
ここで、行列Ｈ”からＣ／（Ｎ＋Ｉ）を求める場合は、上記のｈmn等をｈ”mn等に置き換えればよい。
【００９６】
重み係数制御部４４は、算出された角度δm,optに対応する伝搬路行列Ｈ”に基づいて、実施の形態１と同様にして重み行列を算出し、送信機３０．１および３０．２に出力する。
【００９７】
伝搬路予測部４２’は、探索した角度δm,optを追尾アンテナ制御部２０’に渡し、追尾アンテナ制御部２０’は、時刻Ｔbにかけて、指向性アンテナ１０．ｍの指向方向を時刻Ｔaにおける移動局の方向から角度δm,optだけ回転させる。
【００９８】
図１１は、追尾アンテナ制御部２０’による指向性アンテナ１０．ｍの指向方向の制御を説明するための図である。
【００９９】
時刻Ｔaでの移動局の方向から角度δm,optだけ回転させることで、時刻Ｔbにおける追尾アンテナの指向方向が決定される。
【０１００】
以上のような構成および動作によっても、複数の移動体端末との間で、端末間の干渉を抑制しつつ、マルチユーザＭＩＭＯ通信を行うことが可能である。特に、移動体同志が近接した後に遠ざかる場合のように、伝搬路行列の要素の時間変化の様相が大きく変化するような場合でも、干渉の抑制を有効に行うことができる。
【０１０１】
なお、誤差の累積等により追尾アンテナの指向方向が移動局の方向と大きくずれる状況を防ぐため、仮想的な回転角δmの探索範囲に制限を設けることが望ましい。
【０１０２】
また、移動局アンテナが指向性を有する場合、上述したような変化量εmnの予測に加えて移動局側のアンテナ指向性を考慮する方法が好ましい。
【０１０３】
すなわち、時刻ｔにおける移動局１００．ｎ（ｎ＝１，２）の進行方向を基準に、指向性アンテナ１０．ｍを見込む角度を角度φnm(t)とし、移動局１００．ｎのアンテナ指向特性を指向性Ｕn(φ)とすれば、指向性アンテナ１０．ｍと移動局１００．ｎ間の伝搬路の仮想変化量εmnは、以下のように表される：
【０１０４】
【数８】
2014168125.tif 000010
したがって、このような予測した仮想変化量εmnを用いることで、前述の方法と同様にして、伝搬路予測部４２’が、伝搬路行列の要素の予測値h”mn（Ｔb）を得て、重み係数制御部４４が重み行列を算出することとしてもよい。
【０１０５】
なお、図４、図７、図９を用いた以上の説明においては、伝搬路予測部４２、４２´、重み係数制御部４４等は、ＭＩＭＯ通信における送信タイミングでの重み行列の乗算処理において、以下のような処理を行うものとして説明した。
【０１０６】
すなわち、伝搬路予測部４２、４２´は、複数の指向性アンテナ１０．１〜１０．ｍからの受信信号により検知された伝搬路行列と、推定された移動局１００．１〜１００．２の位置に基づいて算出される複数の追尾アンテナの各々が移動局を見込む見込み角度と、複数の指向性アンテナ１０．１〜１０．ｍの各々と移動局１００．１〜１００．２との距離とにより、複数の追尾アンテナから信号を送出するタイミングの伝搬路行列を予測する。
【０１０７】
これにより、重み係数制御部４４は、このようにして予測された伝搬路行列に基づいて、信号送出時における重み行列を算出し、乗算処理部３４．１〜３４．ｍで、このようにして算出された重み行列を送信信号に乗算することで、指向性アンテナ１０．１〜１０．ｍから送出される信号を生成する。
【０１０８】
ただし、図４、図７、図９に示すように、追尾アンテナ装置は、受信時にもＭＩＭＯ通信を行っている。したがって、送信時と同様にして、伝搬路予測部４２、４２´、重み係数制御部４４および乗算処理部５２．１〜５２．２は、ＭＩＭＯ通信における受信タイミングでの重み行列の乗算処理において、以下のような処理を行うものとすることが可能である。
【０１０９】
すなわち、伝搬路予測部４２、４２´は、複数の指向性アンテナ１０．１〜１０．ｍからの受信信号により検知された伝搬路行列と、推定された移動局１００．１〜１００．２の位置に基づいて算出される複数の追尾アンテナの各々が移動局を見込む見込み角度と、複数の指向性アンテナ１０．１〜１０．ｍの各々と移動局１００．１〜１００．２との距離とにより、複数の追尾アンテナからの信号を分離するタイミングの伝搬路行列を予測する。
【０１１０】
重み係数制御部４４は、このようにして予測された伝搬路行列に基づいて、受信時における信号分離のための重み行列を算出し、乗算処理部５２．１〜５２．２では、このようにして算出された重み行列を指向性アンテナ１０．１〜１０．ｍからの信号に乗算することで、受信信号を分離する。
【０１１１】
また、伝搬路予測部４２´では、追尾アンテナの指向特性の見込み角度依存関数と距離に対する伝搬特性関数との積についての、受信信号により伝搬路行列を検出した第１のタイミングにおける第１の値と、複数の追尾アンテナから信号を分離する第２のタイミングで複数のアンテナの指向方向を仮想角度だけ変化させたときの第２の値の比により伝搬路の仮想変化量を推定し、仮想変化量と第１のタイミングで検知された伝搬路行列とから、第２のタイミングの伝搬路行列を算出して、移動局との間の通信品質を表す評価関数が、上述したような所定の条件を満たす充足角度を導出する。そして、伝搬路予測部４２´は、充足角度に対応する伝搬行列を第２のタイミングの伝搬路行列として予測する構成としてもよい。
【０１１２】
今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１３】
１０．１，１０．２  指向性アンテナ、１２．１，１２．２  駆動機構、２０  追尾アンテナ制御部、３０．１，３０．２  送信装置、３２．１，３２．２  変調部、３４．１，３４．２  乗算処理部、４０  重み制御部、４２  伝搬路予測部、４４  重み係数制御部、４６  移動体位置推定部、４８  記憶部、５０．１，５０．２  受信機、５２．１，５２．２  乗算処理部、５４．１，５４．２  復調部、６０  移動体制御部、１００．１，１００．２  移動局、２００  基地局。
【図１】
2014168125.tif 000011
【図２】
2014168125.tif 000012
【図３】
2014168125.tif 000013
【図４】
2014168125.tif 000014
【図５】
2014168125.tif 000015
【図６】
2014168125.tif 000016
【図７】
2014168125.tif 000017
【図８】
2014168125.tif 000018
【図９】
2014168125.tif 000019
【図１０】
2014168125.tif 000020
【図１１】
2014168125.tif 000021
【図１２】
2014168125.tif 000022
【図１３】
2014168125.tif 000023