(57)【要約】【課題】高精度かつ短時間に電波到来方向を推定することである。【解決手段】基地局１０は、振幅分布決定部１４と振幅制御部１５と到来方向推定部１６とを有する。振幅分布決定部１４は、複数のフェーズドアレイＰ１、Ｐ２を構成する複数のアンテナ素子Ｐ１（１）〜Ｐ１（Ｍ）、Ｐ２（１）〜Ｐ２（Ｍ）の内、各フェーズドアレイＰ１、Ｐ２において信号受信に使用する振幅分布を、複数決定する。振幅制御部１５は、振幅分布決定部１４により決定された複数の上記振幅分布を、上記信号受信毎に切り替える。到来方向推定部１６は、異なるフェーズドアレイＰ１、Ｐ２間における受信信号の相関係数と、振幅制御部１５により切り替えられる上記振幅分布とに基づき、上記受信信号の電波到来方向を推定する。【選択図】図４
2018054386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナを構成する複数のアンテナ素子の内、各アンテナにおいて信号受信に使用する振幅分布を、複数決定する決定部と、
前記決定部により決定された複数の前記振幅分布を、前記信号受信毎に切り替える切替え部と、
異なるアンテナ間における受信信号の相関係数と、前記切替え部により切り替えられる前記振幅分布とに基づき、前記受信信号の電波到来方向を推定する方向推定部と
を有することを特徴とする電波到来方向推定装置。
【請求項２】
前記方向推定部により推定された電波到来方向と、前記受信信号の相関係数とに基づき、前記複数のアンテナ間における回路の位相差を推定する位相差推定部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項３】
前記切替え部は、前記複数のアンテナ素子の内、一部のアンテナ素子による受信信号の振幅を０にすることにより、使用するアンテナ素子の数を制御することを特徴とする請求項１に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項４】
前記決定部は、使用するアンテナ素子の数が同一であり、かつ、前記使用するアンテナ素子の位置が異なる前記振幅分布を、前記複数のアンテナの各々に関して決定することを特徴とする請求項１に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項５】
前記決定部は、要求される前記受信信号の利得と前記電波到来方向の推定の分解能とに応じて、前記信号受信に使用するアンテナ素子の数を決定することを特徴とする請求項１に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項６】
前記決定部は、前記複数のアンテナをグループ化し、同一グループ内のアンテナについて、使用するアンテナ素子の数と前記使用するアンテナ素子の位置とが同一である振幅分布を、各グループの振幅分布として決定し、
前記方向推定部は、前記同一グループ内のアンテナについて、各アンテナ間の相関係数を重み付け平均した値を基に、前記受信信号の電波到来方向を推定することを特徴とする請求項１に記載の電波到来方向推定装置。
【請求項７】
複数のアンテナを有する電波到来方向推定装置が、
前記複数のアンテナを構成する複数のアンテナ素子の内、各アンテナにおいて信号受信に使用する振幅分布を、複数決定し、
決定された複数の前記振幅分布を、前記信号受信毎に切り替え、
異なるアンテナ間における受信信号の相関係数と、切り替えられる前記振幅分布とに基づき、前記受信信号の電波到来方向を推定する
ことを特徴とする電波到来方向推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波到来方向推定装置、及び電波到来方向推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信の高速化に伴い、特に高周波数帯域における伝搬損失を補うために、多素子でのビームフォーミング（Beam  Forming）技術が重要になりつつある。ビームフォーミングを実現する構成として、複数のフェーズドアレイを、それぞれ個別のＤ／Ａ（Digital/Analog）、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）を介して、１つのデジタル信号処理回路に接続したハイブリッドＢＦ構成が注目されている。ハイブリッドＢＦ構成では、デジタル信号処理による複数ユーザへのビーム制御と、フェーズドアレイによる低消費電力なビーム制御との両立を図ることができる。これらのビーム制御によって高い利得を得るためには、通信相手の存在する方向（電波到来方向）を正確に推定することが重要となる。かかる推定手段として、信号の位相情報を利用する方法と、信号の位相情報を利用しない方法との２種類の方法がある。
【０００３】
前者の位相情報を利用する方法の一つとして、各フェーズドアレイが、ビームを形成して信号を受信し、電波到来方向に依存する受信信号間の位相差を基に、電波到来方向を推定する方法がある。例えば、非特許文献１には、ある方向に向けてフェーズドアレイによりビームを形成して受信した信号を基に到来方向の推定を行い、該推定方向にビーム方向を更新した後に、再度到来方向の推定を行う技術が開示されている。かかる技術では、到来方向の推定とビーム方向の更新とを繰り返すことにより、到来方向の推定を精度良く行うことができる。
【０００４】
後者の位相情報を利用しない方法の一つとして、基地局が、それぞれ異なる方向に指向性を有するビームを、時間的に切り替えて一方向ずつ順に送信し、受信した端末が報告する各ビームの受信品質情報を基に、端末の方向を推定する方法がある。例えば、特許文献１には、この様なビームサーチを二段階で行う技術が開示されている。かかる技術では、基地局は、一段階目では太いビームを利用して、端末が存在する範囲をおおまかに推定し、その後の二段階目では、一段階目で推定された範囲のみを対象として、更に詳細なサーチを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０５４９０８号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】X.  Huang  et  al.,  "A  hybrid  adaptive  antenna  array"  IEEE  Transactions  on  Wireless  Communications  (Volume:  9,  Issue:  5,  pp.  1770-1779,  May  2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した何れの方法においても、以下に説明する問題点があった。まず、前者の位相情報を利用する方法では、電波到来方向の推定に際して、フェーズドアレイ毎に受信される信号の位相差が重要となるため、各フェーズドアレイ間において位相同期を行うためのキャリブレーション機構が用いられる。仮に、回路毎の経路差やローカル信号の位相同期の精度が不十分なこと等に起因して、各フェーズドアレイの回路間に位相差が生じている場合には、電波到来方向に依存する位相変動と回路による位相変動とが混在してしまう。このため、基地局は、電波到来方向を正確に推定することができない。
【０００８】
また、後者の位相情報を利用しない方法においては、基地局は、方向推定の分解能を高くするために、多数のビームを時間的に切り替えて送受信を繰り返すこととなる。その結果、端末からの電波到来方向の推定に時間が掛かってしまう。
【０００９】
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、高精度かつ短時間に電波到来方向を推定することのできる電波到来方向推定装置、及び電波到来方向推定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本願の開示する電波到来方向推定装置は、一つの態様において、決定部と切替え部と方向推定部とを有する。前記決定部は、複数のアンテナを構成する複数のアンテナ素子の内、各アンテナにおいて信号受信に使用する振幅分布を、複数決定する。前記切替え部は、前記決定部により決定された複数の前記振幅分布を、前記信号受信毎に切り替える。前記方向推定部は、異なるアンテナ間における受信信号の相関係数と、前記切替え部により切り替えられる前記振幅分布とに基づき、前記受信信号の電波到来方向を推定する。
【発明の効果】
【００１１】
本願の開示する電波到来方向推定装置の一つの態様によれば、高精度かつ短時間に電波到来方向を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、無線通信システムを示す図である。
【図２】図２は、実施例１における振幅分布の組合せの一例を示す図である。
【図３】図３は、実施例１に係る電波到来方向推定の原理を説明するための図である。
【図４】図４は、実施例１に係る基地局の機能構成を示す図である。
【図５】図５は、実施例１に係る基地局のハードウェア構成を示す図である。
【図６】図６は、実施例１に係る基地局の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】図７は、実施例１に係る受信ビームフォーミング利得と電波到来方向推定の分解能との関係を説明するための図である。
【図８】図８は、実施例２に係る基地局の機能構成を示す図である。
【図９】図９は、実施例２に係る基地局の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１０】図１０は、実施例３に係る基地局の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】図１１は、実施例３における振幅分布の組合せの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本願の開示する電波到来方向推定装置、及び電波到来方向推定方法の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する電波到来方向推定装置、及び電波到来方向推定方法が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
図１は、無線通信システム１を示す図である。図１に示す様に、無線通信システム１は、アレイアンテナＡを有する基地局１０と、端末２０とを有する。無線通信システム１では、基地局１０は、フェーズドアレイ間に回路で生じる位相差が存在するＮ個（Ｎは２以上の整数）のフェーズドアレイを有し、２回の信号受信結果を基に電波到来方向の推定を行う。なお、アレイアンテナＡは、素子間隔がｄ［ｍ］であるUniform  Linear  Arrayアンテナであり、各フェーズドアレイの素子数はＭ個（Ｍは２以上の整数）とする。
【００１５】
本実施例に係る基地局１０の構成及び動作の説明に先立ち、図２を参照しながら、その前提となる電波到来方向推定の原理を説明する。基地局１０は、信号を受信する毎に、ビームを形成するサブアレイの間隔を変更することで、回路に依存する位相差を除去し、電波到来方向に依存する位相差を抽出する。図２は、実施例１における振幅分布の組合せの一例を示す図である。図２に示す様に、１回目の受信時と２回目の受信時とにおいて使用するアンテナ素子の位置を変更した場合を想定する。図３は、実施例１に係る電波到来方向推定の原理を説明するための図である。１回目及び２回目の各受信時における信号の位相差から推定される伝搬経路差は、図３に示す様に、実際の伝搬経路差とＲＦ（Radio  Frequency）回路の位相差の影響とを合算した値となる。ここで、２回の受信時における位相差の差分を計算すると、ＲＦ回路は２回の受信において共通であるため、ＲＦ回路の位相差β１の影響は除去される。すなわち、実際の電波到来方向と２回のサブアレイ間隔の差とにのみ依存した値が得られる。ここで、上記２回のサブアレイ間隔の差ｄ２−ｄ１は既知であることから、基地局１０は、推定される伝搬経路差の差（ｄ２−ｄ１）ｓｉｎφを基に、電波到来方向を推定することができる。
【００１６】
まず、本実施例に係る基地局１０の構成を説明する。図４は、実施例１に係る基地局１０の機能構成を示す図である。図４に示す様に、基地局１０は、フェーズドアレイＰ１、Ｐ２と、ＲＦ回路１１１、１１２と、ＡＤＣ（Analog  to  Digital  Converter）１２１、１２２と、受信処理部１３１、１３２と、振幅分布決定部１４と、振幅制御部１５と、到来方向推定部１６とを有する。これら各構成部分は、一方向又は双方向に、信号やパケットの入出力が可能な様に接続されている。なお、図４においては、説明の便宜上、２つのフェーズドアレイＰ１、Ｐ２のみ（Ｎ＝２の場合）を例示しているが、上述した様に、フェーズドアレイは３つ以上であってもよい。
【００１７】
フェーズドアレイＰ１は、各アンテナ素子Ｐ１（１）、Ｐ１（２）、…、Ｐ１（Ｍ−１）、Ｐ１（Ｍ）により受信した信号の位相、振幅を制御して合成し、後段のＲＦ回路１１１に出力する。ＲＦ回路１１１は、入力された信号をダウンコンバートする。ＡＤＣ１２１は、入力されたアナログ信号をデジタル信号化する。受信処理部１３１は、入力されたデジタル信号に対し、チャネル推定処理や復調、復号処理を行う。同様に、フェーズドアレイＰ２は、各アンテナ素子Ｐ２（１）、Ｐ２（２）、…、Ｐ２（Ｍ−１）、Ｐ２（Ｍ）により受信した信号の位相、振幅を制御して合成し、後段のＲＦ回路１１２に出力する。ＲＦ回路１１２は、入力された信号をダウンコンバートする。ＡＤＣ１２２は、入力されたアナログ信号をデジタル信号化する。受信処理部１３２は、入力されたデジタル信号に対し、チャネル推定処理や復調、復号処理を行う。
【００１８】
振幅分布決定部１４は、フェーズドアレイＰ１を構成する全てのアンテナ素子Ｐ１（１）〜Ｐ１（Ｍ）の中から、各アンテナ素子の振幅分布の組合せを決定する。同様に、振幅分布決定部１４は、フェーズドアレイＰ２を構成する全てのアンテナ素子Ｐ２（１）〜Ｐ２（Ｍ）の中から、各アンテナ素子の振幅分布の組合せを決定する。振幅制御部１５は、振幅分布決定部１４により決定された振幅分布を切り替えて、フェーズドアレイＰ１、Ｐ２の振幅ゲイン値を制御する。到来方向推定部１６は、振幅制御部１５にて利用された振幅分布と、受信処理部１３１、１３２にて処理された受信信号とを基に、例えば端末２０から送信された信号の電波到来方向を推定する。
【００１９】
次に、基地局１０のハードウェア構成を説明する。図５は、実施例１に係る基地局１０のハードウェア構成を示す図である。図５に示す様に、基地局１０においては、プロセッサ１０ａと、ネットワークインタフェース回路１０ｂと、メモリ１０ｃと、アレイアンテナＡ１、Ａ２を有する無線通信デバイス１０ｄとが、バスを介して各種信号やデータの入出力が可能な様に接続されている。プロセッサ１０ａは、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）である。メモリ１０ｃは、例えば、ＲＯＭ（Read  Only  Memory)、フラッシュメモリ、ＨＤ（Hard  Disk）等の不揮発性記憶装置の他、ＳＤＲＡＭ（Synchronous  Dynamic  Random  Access  Memory）等のＲＡＭを含む。
【００２０】
続いて、機能的構成要素とハードウェア構成要素との対応関係を説明する。図４に示した基地局１０の機能的構成要素の内、フェーズドアレイＰ１、Ｐ２と、ＲＦ回路１１１、１１２と、ＡＤＣ（Analog  to  Digital  Converter）１２１、１２２と、受信処理部１３１、１３２とは、ハードウェアとしての無線通信デバイス１０ｄにより実現される。また、振幅分布決定部１４と、振幅制御部１５と、到来方向推定部１６とは、ハードウェアとしてのプロセッサ１０ａ及び無線通信デバイス１０ｄにより実現される。
【００２１】
次に、基地局１０の動作を説明する。図６は、実施例１に係る基地局１０の動作を説明するためのフローチャートである。
【００２２】
まずＳ１では、振幅分布決定部１４は、各ビームの形成に利用する振幅分布を決定する。本実施例では、振幅分布決定部１４が、信号を受信する際に利用する振幅分布を２種類決定する場合を例示する。また、振幅分布として、一部のアンテナ素子の受信信号の振幅を０とすることで、使用するアンテナ素子数を可変とする分布を例示する。なお、本実施例の態様においても、振幅は、必ずしも０である必要はなく、十分に小さい値であれば、同様の効果が得られる。
【００２３】
図７は、実施例１に係る受信ビームフォーミング利得と電波到来方向推定の分解能との関係を説明するための図である。図７に示す様に、使用するアンテナ素子数は、要求される受信ビームフォーミング利得と電波到来方向推定の分解能とに応じて、決定することができる。例えば、図７の右側に示す様に、サブアレイ間隔の差ｄ２−ｄ１が大きい程、僅かな電波到来方向の相違でも、大きな位相変動となって現れる。このため、振幅分布決定部１４は、少ないアンテナ素子（例えば、２つずつ）を利用して、サブアレイ間隔の差ｄ２−ｄ１を広げることで、電波到来方向推定の分解能を向上することができる。
【００２４】
一方、使用するアンテナ素子数が少ないと、分解能が向上する反面、受信ビームフォーミング利得は低下する。このため、これに伴う受信電力の低下により、位相差の推定精度が低下する恐れがある。そこで、振幅分布決定部１４は、要求される受信ビームフォーミング利得（上記受信信号のゲイン）と電波到来方向推定の分解能とに応じて、端末２０からの信号受信に使用するアンテナ素子の数を適切な値に決定する。これにより、受信電力と方向推定精度との間の調整が可能となり、必要な受信電力を確保しつつ、電波到来方向の推定を高精度に行うことができる。
【００２５】
例えば、基地局１０から近距離に端末２０が位置する場合等の様に、受信ビームフォーミング利得が低くても高い受信電力が見込まれる場合には、振幅分布決定部１４は、極力、分解能を優先し、向上するために、少ないアンテナ素子数を利用する振幅分布の決定を行う。逆に、端末２０が基地局１０から遠く離れている場合等の様に、位相差の推定に使用するための十分な受信電力が得られない場合には、振幅分布決定部１４は、極力、利得を優先し、向上するために、多くのアンテナ素子数を利用する振幅分布の決定を行う。
【００２６】
但し、同一のフェーズドアレイ内においては、図７に示す様に、使用するアンテナ素子数は、使用回数（信号受信）毎に一定であることが演算量の観点から望ましい。なぜなら、アンテナ素子数が変わると、形成されるビームの位相が変わってしまい、その影響も考慮して電波到来方向の推定を行うことが必要となるため、演算量が増加してしまうからである。従って、本実施例では、基地局１０の振幅分布決定部１４は、使用するアンテナ素子の数は、回数を問わず同一とし、使用するアンテナ素子の位置のみが異なる振幅分布の組合せを利用する。
【００２７】
図６に戻り次のＳ２では、振幅制御部１５は、振幅分布決定部１４により決定された各振幅分布に基づき、各フェーズドアレイＰ１、Ｐ２が、該振幅分布を用いてビームを形成して、端末２０が送信する信号を受信する様に、制御する。各フェーズドアレイＰ１、Ｐ２は、上記ビームにより端末２０が送信する信号を受信する。この時受信される受信信号ｙｎ，ｋは、次式（１）により表すことができる。なお、次式（１）では、フェーズドアレイｎのＲＦ回路での位相変動を表す変数をαｎ、ｋ回目のビーム形成時のフェーズドアレイｎのウェイトの行ベクトルをｗｎ，ｋ、各アンテナ素子に対する伝搬チャネルの列ベクトルをｈｎ、端末２０の送信信号をｓ（ｔ）とする。但し、次式（１）においては、雑音は無視しており、ＲＦ回路での位相変動やチャネルは、測定の間中一定であると仮定している。
【００２８】
【数１】
2018054386.tif 000003
【００２９】
ここで、本実施例の様に、到来波を１波と仮定すると、チャネルは、次式（２）により表すことができる。
【００３０】
【数２】
2018054386.tif 000004
【００３１】
また、ｋ回目のビーム形成時のフェーズドアレイｎのビーム方向をθｎ，ｋ、使用するアンテナ素子数をＭｎ，ｋ、使用する最初（位置的に先頭）のアンテナ素子の位置を示すインデックスをｉｎ，ｋとすると、ウェイトベクトルの第ｉ要素は、次式（３）により表すことができる。
【００３２】
【数３】
2018054386.tif 000005
【００３３】
但し、上記数式（３）においては、アンテナ素子数及びビーム方向は変更しないものとして、下記数式（４）を仮定する。
【００３４】
【数４】
2018054386.tif 000006
【００３５】
ここで、端末２０の凡その方向が事前に判明している場合には、基地局１０は、各フェーズドアレイｎのビーム方向をその方向に向けることができる。例えば、基地局１０は、少ないビーム数で事前に粗くビーム探索を行うことにより、凡その方向を推定することができる。なお、全く方向が判っていない場合には、基地局１０は、カバーエリア内の任意の方向にビームを向けて、信号の受信を行う。
【００３６】
次のＳ３では、到来方向推定部１６は、振幅分布毎に、フェーズドアレイＰ１、Ｐ２間の受信信号の相関係数を計算する。すなわち、到来方向推定部１６は、各振幅分布にて受信した信号について、フェーズドアレイｎの受信信号とフェーズドアレイｌの受信信号との相関係数ｒｋ，ｎ，ｌを計算する。平均送信電力が１に規格化されていると仮定し、変数ｘの複素共役をｘ＊とし、ベクトルａの共役転置をａＨとすると、相関係数ｒｋ，ｎ，ｌは、次式（５）により表すことができる。
【００３７】
【数５】
2018054386.tif 000007
【００３８】
ここで、パイロット信号等の様な既知信号が送信された場合には、到来方向推定部１６は、上記受信信号のチャネル推定結果を基に、ＲＦ回路間の位相差を除いた相関係数を計算するものとしてもよい。なお、チャネル推定時の信号は、フェーズドアレイｎ、ｌにおいて合成され、ＲＦ回路において位相変動が生じた後の信号であるため、チャネル推定値は、次式（６）により表される。
【００３９】
【数６】
2018054386.tif 000008
【００４０】
従って、フェーズドアレイｎ、ｌ間の受信信号の相関係数は、次式（７）により推定することができる。
【００４１】
【数７】
2018054386.tif 000009
【００４２】
以降、基地局１０の到来方向推定部１６は、上記相関係数と振幅分布とを基に電波到来方向を推定する。すなわち、到来方向推定部１６は、計算した相関係数を基に伝搬経路差を推定し、振幅分布から計算されるサブアレイ間隔の差の情報を利用して、電波到来方向を算出する。
【００４３】
まずＳ４では、到来方向推定部１６は、上記各振幅分布の相関係数を基に、伝搬経路差の差の成分を抽出する。上述した様に、ＲＦ回路間での位相差は、各振幅分布での受信間において共通である。このため、振幅分布を変更したことによる影響、つまり、伝搬経路差の差に依存する成分ｚｎ，ｌは、次式（８）により、抽出することができる。
【００４４】
【数８】
2018054386.tif 000010
【００４５】
複素数値の位相が伝搬経路差の差に相当するため、複素数ｘの位相を算出する関数ａｒｇ（ｘ）を用いて、位相ψｎ，ｌを算出すると、位相ψｎ，ｌは、次式（９）の様に算出することができる。
【００４６】
【数９】
2018054386.tif 000011
【００４７】
受信信号毎のアンテナ素子数及びビーム方向が、各フェーズドアレイにおいて同一である場合、図３に示す様に、位相ψｎ，ｌは、経路差の差に比例する値となり、ｄｎ，ｌ，ｋ＝（ｉｎ，ｋ−ｉｌ，ｋ＋（ｎ−ｌ）Ｍ）ｄとおくと、次式（１０）により表される。なお、ｐは、位相が２πずれてもａｒｇ関数が同じ値を出力する様に加えた適当な整数である。
【００４８】
【数１０】
2018054386.tif 000012
【００４９】
Ｓ５では、到来方向推定部１６は、上記伝搬経路差の差の成分と振幅分布とを基にした電波到来方向の推定を、次式（１１）により行う。
【００５０】
【数１１】
2018054386.tif 000013
【００５１】
ここで、ｐは、ａｓｉｎ関数内の値が定義域（−１以上１以下）に収まる様に与えられる。なお、サブアレイ間隔の差ｄｎ，ｌ，２−ｄｎ，ｌ，１が半波長より大きい場合、上記ｐが複数の値をとり得るため、方向が一意に求まらない。この場合、到来方向推定部１６は、例えば、ビームを向けた方向周辺からの到来波が実際の到来波である可能性が高いとみなして、ビーム方向に最も近い推定方向を電波到来方向と推定するものとしてもよい。また、基地局１０が３つ以上のフェーズドアレイを有する場合には、到来方向推定部１６は、各フェーズドアレイについて推定した電波到来方向に対して、各フェーズドアレイの受信電力に応じた重み付け平均処理を行い、電波到来方向を再計算するものとしてもよい。これにより、より高精度な電波到来方向の推定が可能となる。
【００５２】
以上説明した様に、基地局１０は、振幅分布決定部１４と振幅制御部１５と到来方向推定部１６とを有する。振幅分布決定部１４は、複数のアンテナ（例えば、フェーズドアレイＰ１、Ｐ２）を構成する複数のアンテナ素子Ｐ１（１）〜Ｐ１（Ｍ）、Ｐ２（１）〜Ｐ２（Ｍ）の内、各アンテナにおいて端末２０が送信する信号の受信に使用する振幅分布（例えば、アンテナ素子の組合せ）を、複数パターン決定する。振幅制御部１５は、振幅分布決定部１４により決定された複数パターンの上記振幅分布を、上記信号受信毎に切り替える。到来方向推定部１６は、異なるアンテナ間における受信信号の相関係数と、振幅制御部１５により切り替えられる上記振幅分布との組合せに基づき、上記受信信号の電波到来方向を推定する。換言すれば、基地局１０は、各アンテナ素子の振幅の分布が異なる複数のビームを切り替えて、各フェーズドアレイＰ１、Ｐ２により信号を受信し、異なるフェーズドアレイＰ１、Ｐ２間における受信信号の相関係数と利用した上記振幅分布とを基に、電波の到来方向の推定を行う。従って、基地局１０は、各フェーズドアレイ間において位相同期を行うための位相差キャリブレーション機構を設ける必要無く、少ない受信回数で、高精度かつ短時間に電波到来方向を推定することができる。
【００５３】
なお、本実施例では、２種類の振幅分布を切り替えることで、１波の到来波の方向を推定する方法を示した（図７参照）が、ビームフォーミング時のサブアレイ間隔がそれぞれ異なる３種類以上の振幅分布を切り替えることで、複数の到来波の方向推定を行うこともできる。また、本実施例では、アレイアンテナＡの構成として、アンテナ素子Ｐ１（１）〜Ｐ１（Ｍ）、Ｐ２（１）〜Ｐ２（Ｍ）を１次元（直線状）に配列した構成を示した（図４参照）。しかしながら、アレイアンテナＡは、かかる構成に限らず、アンテナ素子を平面状に配列した平面アンテナであってもよい。この場合、基地局１０の到来方向推定部１６は、水平方向のサブアレイ間隔を変更したビームのペアと、垂直方向のサブアレイ間隔を変更したビームのペアとのそれぞれについて、上述したＳ３〜Ｓ５の処理を実行する。これにより、各方向（水平方向及び垂直方向）毎に電波到来方向を個別に推定することが可能となる。
【００５４】
基地局１０において、振幅制御部１５は、複数のアンテナ素子Ｐ１（１）〜Ｐ１（Ｍ）、Ｐ２（１）〜Ｐ２（Ｍ）の内、一部のアンテナ素子による受信信号の振幅を０にすることにより、使用するアンテナ素子の数を制御するものとしてもよい。これにより、基地局１０は、各フェーズドアレイＰ１、Ｐ２において端末２０が送信する信号の受信に使用する振幅分布（アンテナ素子の組合せ）を、容易かつ迅速に変更することができる。
【００５５】
基地局１０において、振幅分布決定部１４は、使用するアンテナ素子の数が同一であり、かつ、上記使用するアンテナ素子の位置が異なる上記振幅分布を、複数のフェーズドアレイＰ１、Ｐ２の各々に関して決定するものとしてもよい。これにより、使用するアンテナ素子の数が信号受信毎に一定となるため、形成されるビームの位相も一定となり、基地局１０は、位相変動を考慮することなく、電波到来方向の推定を行うことができる。その結果、電波到来方向の推定に際しての演算量の増加が抑制される。
【００５６】
基地局１０において、振幅分布決定部１４は、要求される上記受信信号の利得と上記電波到来方向の推定の分解能とに応じて、上記信号受信に使用するアンテナ素子の数を決定するものとしてもよい。これにより、受信電力と方向推定精度との間の調整が可能となり、必要な受信電力を確保しつつ、電波到来方向の推定を高精度に行うことができる。
【実施例２】
【００５７】
次に、実施例２について説明する。実施例２に係る基地局は、実施例１に記載した方法により推定した電波到来方向の情報を基に、異なるフェーズドアレイのＲＦ回路間に生じる位相差を更に推定する点において、実施例１に係る基地局と異なる。
【００５８】
実施例２に係る基地局の構成は、回路間位相差計算部１７を新たに有する点を除き、図４に示した実施例１における基地局の構成と同様である。図８は、実施例２に係る基地局１０の機能構成を示す図である。図８に示す様に、実施例２では、実施例１と共通する構成要素には、同一の参照符号を用いると共に、その詳細な説明は省略する。
【００５９】
回路間位相差計算部１７は、到来方向推定部１６により計算された相関係数及び電波到来方向の情報と、振幅制御部１５から通知された各振幅分布とを基に、ＲＦ回路１１１、１１２間の位相差を計算する。
【００６０】
次に、実施例２における基地局１０の動作を、実施例１との相違点を中心として説明する。図９は、実施例２に係る基地局１０の動作を説明するためのフローチャートである。まずＳ１１では、回路間位相差計算部１７は、上記Ｓ５（図６参照）にて推定された電波到来方向を、上記数式（１）に代入することにより、電波到来方向の推定結果に基づき、各アンテナ素子のチャネルを推定する。次のＳ１２では、回路間位相差計算部１７は、上記Ｓ３（図６参照）にて計算された相関係数を基に、ＲＦ回路１１１、１１２間の位相差を推定する。具体的には、回路間位相差計算部１７は、計算された相関係数ｒｋ，ｎ，ｌと、推定したチャネルの列ベクトルｈｎ、ｈｌと、フェーズドアレイｎ、ｌのウェイトの行ベクトルｗｎ，ｋ、ｗｌ，ｋとを用いて、上記位相差を次式（１２）により計算する。
【００６１】
【数１２】
2018054386.tif 000014
【００６２】
上述した様に、実施例２に係る基地局１０は、到来方向推定部１６により推定された電波到来方向と、上記受信信号の相関係数とに基づき、複数のフェーズドアレイＰ１、Ｐ２間におけるＲＦ回路依存の位相差を推定する回路間位相差計算部１７を更に有する。従って、基地局１０は、電波到来方向だけでなく、ＲＦ回路間に生じる位相差も、高精度かつ短時間に推定することができる。
【実施例３】
【００６３】
次に、実施例３について説明する。実施例３に係る基地局は、３つ以上のフェーズドアレイを有し、複数のフェーズドアレイ間における相関係数の計算結果を平均化する点において、実施例１に係る基地局と異なる。これにより、実施例３に係る基地局は、伝搬経路差の差に生じる雑音を抑制し、電波到来方向の推定精度を更に向上することができる。具体的には、伝搬経路差の差が異なるフェーズドアレイ間においては、該伝搬経路差の差に依存する成分の期待値（雑音の影響の無い理想的な計算結果）も異なる。このため、基地局は、振幅分布を決定する段階において、雑音の抑制に利用する複数のフェーズドアレイをグループ化しておき、各グループのフェーズドアレイ間において伝搬経路差の差が一定となる振幅分布を利用する。これにより、期待値を一致させた上での雑音の抑制が可能となる。
【００６４】
実施例３に係る基地局の構成は、図４に示した実施例１における基地局の構成と同様である。従って、実施例３では、実施例１と共通する構成要素には、同一の参照符号を用いると共に、その詳細な説明は省略する。
【００６５】
次に、実施例３における基地局１０の動作を、実施例１との相違点を中心として説明する。図１０は、実施例３に係る基地局１０の動作を説明するためのフローチャートである。図１０は、実施例１に係る動作の説明において参照した図６と、同様の処理を含むことから、共通するステップには、末尾が同一の参照符号を付すと共に、その詳細な説明は省略する。具体的には、図１０のステップＴ１〜Ｔ５の各処理は、図６に示したステップＳ１〜Ｓ５の各処理にそれぞれ対応する。
【００６６】
まずＴ６では、振幅分布決定部１４は、上記振幅分布の決定に先立ち、フェーズドアレイをグルーピングして、フェーズドアレイを２つ以上のグループ（例えば、サブアレイグループＧ１、Ｇ２）に分ける。このとき、各グループに含まれるフェーズドアレイの数に偏りがあると、フェーズドアレイ数が少ないグループにおける雑音の抑制効果が小さくなり、そのグループの雑音が全体の推定精度に対して支配的な影響を及ぼす可能性がある。このため、電波到来方向の高い推定精度を実現するためには、振幅分布決定部１４は、各グループのフェーズドアレイ数が均等になる様なグループ化を行うことが望ましい。
【００６７】
次のＴ１では、振幅分布決定部１４は、実施例１のＳ１（図６参照）と同様に、各ビームに利用する振幅分布を決定する。図１１は、実施例３における振幅分布の組合せの一例を示す図である。図１１に示す様に、同一グループ（例えば、サブアレイグループＧ１）内のフェーズドアレイでは、同一のアンテナ素子数と同一のアンテナ素子位置とを使用する。これにより、同一グループ（例えば、サブアレイグループＧ１）内のフェーズドアレイ間においては、異なるグループ（例えば、サブアレイグループＧ２）のフェーズドアレイとの間で計算される伝搬経路差の差に依存する成分の期待値が等しくなる。
【００６８】
図１０に戻り次のＴ２では、振幅制御部１５は、実施例１のＳ２（図６参照）と同様に、上記Ｔ１にて決定された各振幅分布を用いて形成されるビームを用いて、端末２０が送信する信号を受信する。
【００６９】
Ｔ３では、到来方向推定部１６は、実施例１のＳ３（図６参照）と同様に、上記Ｔ１にて決定された各振幅分布により受信された信号について、フェーズドアレイ間の受信信号の相関係数を計算する。但し、同一グループ内のフェーズドアレイ間には伝搬経路差の差が存在しないため、計算する必要はなく、到来方向推定部１６は、異なるサブアレイグループＧ１、Ｇ２のフェーズドアレイ間の受信信号の相関係数のみを計算する。
【００７０】
以降、基地局１０の到来方向推定部１６は、上記各相関係数と振幅分布とを基に電波到来方向を推定する。すなわち、到来方向推定部１６は、計算した相関係数を基に伝搬経路差を推定し、振幅分布から計算されるサブアレイ間隔の差の情報を利用して、電波到来方向を算出する。
【００７１】
まずＴ４では、到来方向推定部１６は、実施例１のＳ４（図６参照）と同様に、上記各振幅分布の相関係数を基に、伝搬経路差の差に依存する成分ｚｎ，ｌを抽出する。次のＴ７では、到来方向推定部１６は、上記受信信号の雑音を抑制するために、同一グループｇ内のフェーズドアレイを対象として、別のグループｇ’内のフェーズドアレイとの間で計算した、伝搬経路差の差に依存する成分の重み付け平均を計算する。該重み付け平均は、例えば、以下の式（１３）により計算可能である。
【００７２】
【数１３】
2018054386.tif 000015
【００７３】
ここで、上記式（１３）において、Ｓｇ、Ｓｇ’は、それぞれグループｇ、ｇ’に含まれるフェーズドアレイのインデックスの集合である。また、ｃｎ，ｌは平均の重みであり、例えば、受信電力が大きいフェーズドアレイ程、大きな重みとなる様に、次式（１４）により規定することができる。
【００７４】
【数１４】
2018054386.tif 000016
【００７５】
Ｔ５では、到来方向推定部１６は、実施例１のＳ５（図６参照）と同様に、重み付け平均をした値の位相を基に、次式（１５）により電波到来方向を推定する。
【００７６】
【数１５】
2018054386.tif 000017
【００７７】
但し、上記式（１５）は、次式（１６）を満たす。
【００７８】
【数１６】
2018054386.tif 000018
【００７９】
上述した様に、実施例３に係る基地局１０においては、振幅分布決定部１４は、複数のフェーズドアレイをグループ化し、同一グループ内のフェーズドアレイについて、使用するアンテナ素子の数と上記使用するアンテナ素子の位置とが同一である振幅分布を、各グループの振幅分布として決定する。また、到来方向推定部１６は、上記同一グループ内のフェーズドアレイについて、各フェーズドアレイ間の相関係数を重み付け平均した値を基に、上記受信信号の電波到来方向を推定する。これにより、伝搬経路差の差に生じる雑音を抑制することができる。その結果、より高精度な電波到来方向の推定が可能となる。
【００８０】
なお、基地局１０の各構成要素は、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的態様は、図示のものに限らず、その全部又は一部を、各種の負荷や使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することもできる。例えば、振幅分布決定部１４と振幅制御部１５、あるいは、到来方向推定部１６と回路間位相差計算部１７をそれぞれ１つの構成要素として統合してもよい。反対に、到来方向推定部１６に関し、例えば、上記相関係数を計算する部分と、伝搬経路差の差を抽出する部分と、実際に電波到来方向を推定する部分とに分散してもよい。更に、メモリ１０ｃ等の記憶装置を、基地局１０の外部装置としてネットワークやケーブル経由で接続する様にしてもよい。
【００８１】
また、上記説明では、個々の実施例毎に個別の構成、及び動作を説明した。しかしながら、各実施例に係る基地局１０は、他の実施例に特有の構成要素を併せて有するものとしてもよい。また、実施例毎の組合せについても、２つに限らず、３つ以上の組合せ等、任意の形態を採ることが可能である。例えば、実施例２に係る回路間位相差推定技術は、実施例１に限らず、他の実施例３に対しても適用可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１  無線通信システム
１０  基地局
１０ａ  プロセッサ
１０ｂ  ネットワークインタフェース回路
１０ｃ  メモリ
１０ｄ  無線通信デバイス
１４  振幅分布決定部
１５  振幅制御部
１６  到来方向推定部
１７  回路間位相差計算部
２０  端末
１１１、１１２  ＲＦ回路
１２１、１２２  ＡＤＣ（Analog  to  Digital  Converter）
１３１、１３２  受信処理部
Ａ、Ａ１、Ａ２  アレイアンテナ
ｄ１  １回目のサブアレイ間隔
ｄ２  ２回目のサブアレイ間隔
Ｇ１、Ｇ２  サブアレイグループ
Ｐ１、Ｐ２  フェーズドアレイ
Ｐ１（１）、Ｐ１（２）、…、Ｐ１（Ｍ−１）、Ｐ１（Ｍ）  アンテナ素子
Ｐ２（１）、Ｐ２（２）、…、Ｐ２（Ｍ−１）、Ｐ２（Ｍ）  アンテナ素子
【図１】
2018054386.tif 000019
【図２】
2018054386.tif 000020
【図３】
2018054386.tif 000021
【図４】
2018054386.tif 000022
【図５】
2018054386.tif 000023
【図６】
2018054386.tif 000024
【図７】
2018054386.tif 000025
【図８】
2018054386.tif 000026
【図９】
2018054386.tif 000027
【図１０】
2018054386.tif 000028
【図１１】
2018054386.tif 000029