(57)【要約】【課題】無線通信機自体又は無線通信機の通信相手の移動に追従するように、指向性を迅速に制御する。【解決手段】無線通信機１０は、ビームスイーピングの実行を指示するビームスイーピング指示を受け付けると、ビームスイーピングを行ってビーム指向性を設定するコントローラ８０を備え、前記コントローラ８０は、前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示を再度受け付けるまでの間に、前記ビーム指向性を修正する。【選択図】図１
2019080276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームスイーピングの実行を指示するビームスイーピング指示を受け付けると、ビームスイーピングを行ってビーム指向性を設定するコントローラを備え、
前記コントローラは、前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示を再度受け付けるまでの間に、前記ビーム指向性を修正する
無線通信機。
【請求項２】
前記ビーム指向性は、ビームスイーピングによって形成される複数のビーム指向性の中から、前記無線通信機の通信相手によって選択される
請求項１に記載の無線通信機。
【請求項３】
前記ビーム指向性を修正することは、前記ビームスイーピングが行われる角度範囲よりも狭い角度範囲内で行われる
請求項１又は２に記載の無線通信機。
【請求項４】
前記ビーム指向性を修正することは、通信に用いられていないアレイアンテナを用いて推定された、電波の到来方向に基づいて行われる
請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線通信機。
【請求項５】
前記ビーム指向性を修正することは、通信に用いられているアレイアンテナによって受信した複数の信号の合成電力を最大にする前記複数の信号の間の相対位相量に基づいて行われる
請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線通信機。
【請求項６】
ビームの指向性を変化させるアナログ移相器を備え、
前記コントローラは、前記アナログ移相器を制御することで、前記ビームスイーピングと前記ビーム指向性の修正を、行う
請求項１〜５のいずれか１項に記載の無線通信機。
【請求項７】
ビームの指向性を変化させるデジタル移相器を備え、
前記コントローラは、前記デジタル移相器を制御することで、前記ビームスイーピングと前記ビーム指向性の修正を、行う
請求項１〜５のいずれか１項に記載の無線通信機。
【請求項８】
デジタル信号処理を行うベースバンドプロセッサを備え、
前記ベースバンドプロセッサは、前記コントローラ及び前記デジタル移相器を備える
請求項７に記載の無線通信機。
【請求項９】
ビームスイーピング指示を受け付けると、ビームスイーピングを行ってビーム指向性を設定する処理と、
前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示を再度受け付けるまでの間に、前記ビーム指向性を修正する処理と、
を実行するコントローラ。
【請求項１０】
デジタル信号処理を行うベースバンドプロセッサであって、
ビームスイーピング指示を受け付けると、ビームスイーピングを行ってビーム指向性を設定するコントローラと、
ビームの指向性を変化させるデジタル移相器と、
を備え、
前記コントローラは、前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示を再度受け付けるまでの間に、前記デジタル移相器を制御することで、前記ビーム指向性を修正する
ベースバンドプロセッサ。
【請求項１１】
無線通信機が、ビームの指向性を制御する方法であって、
ビームスイーピング指示が発生すると、ビームスイーピングを行って、ビーム指向性を設定し、
前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示が再度発生するまでの間に、前記ビーム指向性を修正する
ことを含むビームの指向性を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信機、コントローラ、ベースバンドプロセッサ、及びビームの指向性を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信においては、特定の方向に向けて電波を送受信することがある。例えば、高い周波数を利用する通信方式では、低い周波数を利用する通信方式に比べて、電波が届きにくくなるため、通信相手が存在する特定の方向へ、アンテナが形成するビームが向けられる。ビームの指向性の制御は、例えば、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１１６０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
無線通信機自体又は無線通信機の通信相手が、高速に移動する場合には、移動に追従するように、指向性を迅速に制御することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の無線通信機は、ビームスイーピングの実行を指示するビームスイーピング指示を受け付けると、ビームスイーピングを行ってビーム指向性を設定するコントローラを備え、前記コントローラは、前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示を再度受け付けるまでの間に、前記ビーム指向性を修正する。
【０００６】
本開示のコントローラは、ビームスイーピング指示を受け付けると、ビームスイーピングを行ってビーム指向性を設定する処理と、前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示を再度受け付けるまでの間に、前記ビーム指向性を修正する処理と、を実行する。
【０００７】
本開示のベースバンドプロセッサは、デジタル信号処理を行うベースバンドプロセッサであって、ビームスイーピング指示を受け付けると、ビームスイーピングを行ってビーム指向性を設定するコントローラと、ビームの指向性を変化させるデジタル移相器と、を備え、前記コントローラは、前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示を再度受け付けるまでの間に、前記デジタル移相器を制御することで、前記ビーム指向性を修正する。
【０００８】
本開示の方法は、無線通信機が、ビームの指向性を制御する方法であって、ビームスイーピング指示が発生すると、ビームスイーピングを行って、ビーム指向性を設定し、前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示が再度発生するまでの間に、前記ビーム指向性を修正することを含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、指向性を迅速に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】無線通信機の回路図である。
【図２】アンテナユニットの斜視図である。
【図３】無線回路の回路図である。
【図４】アレイコントローラの構成図である。
【図５】アレイコントローラの状態遷移図である。
【図６】ビームトラッキングの説明図である。
【図７】ビームスイーピングにおいて形成されるビームの指向性を示す図である。
【図８Ａ】ビームフォーミング処理の手順を示すフローチャートである。
【図８Ｂ】ビームフォーミング処理の手順を示すフローチャートである。
【図９Ａ】アレイコントローラの配置を示す図である。
【図９Ｂ】アレイコントローラの配置を示す図である。
【図１０】ビームトラッキングのために通信用以外のアンテナパネルを使用する例を示す図である。
【図１１】通信用のアレイアンテナを用いてビームトラッキングをするための回路例を示す図である。
【図１２】合成電力と位相調整量の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［１．実施形態の概要］
【００１２】
（１）実施形態に係る無線通信機は、ビームスイーピングの実行を指示するビームスイーピング指示を受け付けると、ビームスイーピングを行ってビーム指向性を設定するコントローラを備える。ビーム指向性の設定は、例えば、ビームが通信に適した方向に向くように設定される。通信に適した方向は、例えば、受信電力が大きくなる方法である。前記コントローラは、前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示を再度受け付けるまでの間に、前記ビーム指向性を修正する。ビームスイーピング指示が発生する頻度が低くても、ビーム指向性を修正することで、適切な指向性を維持することができる。ビーム指向性をわずかにでも修正することで、受信電力が向上することがあるため、ビーム指向性の修正により、より適切な指向性を維持できる。
【００１３】
（２）前記ビーム指向性は、ビームスイーピングによって形成される複数のビーム指向性の中から、前記無線通信機の通信相手によって選択されてもよい。前記無線通信機の通信相手によって、ビーム指向性が決定される場合、ビームスイーピング指示の発生頻度を高くするのは、実際上、困難であるが、上記のように、無線通信機のコントローラが指向性を修正することで、適切な指向性を維持することができる。
【００１４】
（３）前記ビーム指向性を修正することは、前記ビームスイーピングが行われる角度範囲よりも狭い角度範囲内で行われてもよい。この場合、ビーム指向性を修正する処理を高速化することができる。
【００１５】
（４）前記ビーム指向性を修正することは、通信に用いられていないアレイアンテナを用いて推定された、電波の到来方向に基づいて行われてもよい。この場合、通信に用いられていないアレイアンテナを有効活用できる。
【００１６】
（５）前記ビーム指向性を修正することは、通信に用いられているアレイアンテナによって受信した複数の信号の合成電力を最大にする前記複数の信号の間の相対位相量に基づいて行われてもよい。この場合、通信に用いられているアレイアンテナを用いて、ビーム指向性の修正が可能である。
【００１７】
（６）無線通信機は、ビームの指向性を変化させるアナログ移相器を備える。前記コントローラは、前記アナログ移相器を制御することで、前記ビームスイーピングと前記ビーム指向性の修正を、行うことができる。この場合、アナログ移相器の制御で、ビーム指向性を修正することができる。
【００１８】
（７）無線通信機は、ビームの指向性を変化させるデジタル移相器を備える。前記コントローラは、前記デジタル移相器を制御することで、前記ビームスイーピングと前記ビーム指向性の修正を、行うことができる。この場合、デジタル移相器の制御で、ビーム指向性を修正することができる。
【００１９】
（８）無線通信機は、デジタル信号処理を行うベースバンドプロセッサを備える。前記ベースバンドプロセッサは、前記コントローラ及び前記デジタル移相器を備えることができる。ベースバンドプロセッサが、コントローラを備えることで、コントローラの機能をデジタル処理で実現できる。
【００２０】
（９）実施形態に係るコントローラは、ビームスイーピング指示を受け付けると、ビームスイーピングを行ってビーム指向性を設定する処理と、前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示を再度受け付けるまでの間に、前記ビーム指向性を修正する処理と、を実行する。
【００２１】
（１０）実施形態に係るベースバンドプロセッサは、デジタル信号処理を行う。ベースバンドプロセッサは、ビームスイーピング指示を受け付けると、ビームスイーピングを行ってビーム指向性を設定するコントローラと、ビームの指向性を変化させるデジタル移相器と、を備える。前記コントローラは、前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示を再度受け付けるまでの間に、前記デジタル移相器を制御することで、前記ビーム指向性を修正する。
【００２２】
（１１）実施形態に係る方法は、無線通信機が、ビームの指向性を制御する方法である。方法は、ビームスイーピング指示が発生すると、ビームスイーピングを行って、ビーム指向性を設定し、前記ビーム指向性を設定してから前記ビームスイーピング指示が再度発生するまでの間に、前記ビーム指向性を修正することを含む。
【００２３】
［２  実施形態の詳細］
【００２４】
［２．１  無線通信機］
【００２５】
図１は、実施形態に係る無線通信機１０を示している。無線通信機１０は、例えば、モバイル通信に用いられる移動局である。移動局は、無線通信機である基地局と通信する。図２に示すように、移動局としての無線通信機１０は、例えば、車両２０に搭載される。車両２０に搭載された移動局を、車載移動局という。車両２０は、例えば、バス・電車などの交通機関における車両である。
【００２６】
基地局は、建物の屋上、鉄塔の上などの比較的高い場所に設置され、地上の移動局と通信する。モバイル通信は、高速通信の実現のため、ミリ波又は準ミリ波が利用される通信であるのが好ましい。ミリ波又は準ミリ波が利用されるモバイル通信は、例えば、第５世代モバイルネットワーク（５Ｇ）である。ミリ波又は準ミリ波が利用される通信は、高い周波数のため、伝搬損失が大きい、本実施形態では、伝搬損失の補償のため、ビームフォーミングが行われる。ビームフォーミングをすることで、特定の方向にビームの指向性を向けて、利得を向上させることができる。ビームフォーミングは、基地局及び移動局の両方が行うことができる。
【００２７】
図１に示す無線通信機１００は、ベースバンドプロセッサ７０を備える。ベースバンドプロセッサ７０は、デジタルベースバンド処理７１を含むモバイル通信処理を実行する半導体集積回路である。モバイル通信処理は、基地局３０とのモバイル通信に必要される処理である。デジタルベースバンド処理７１は、デジタル処理により、ベースバンド信号を、生成し、送信のため出力することを含む。ベースバンドプロセッサ７０は、ベースバンド信号を、フロントエンド９０に出力する。
【００２８】
フロントエンド９０は、ベースバンドプロセッサ７０から受け取ったベースバンド信号に対して変調・増幅などの送信ＲＦ信号処理を行い、ＲＦ信号を生成する。フロントエンド９０は、生成されたＲＦ信号を送信する。フロントエンド９０は、受信したＲＦ信号の増幅・復調などの受信ＲＦ信号処理を行ってベースバンド信号を得る。フロントエンド９０は、得られたベースバンド信号をベースバンドプロセッサ７０に与える。ベースバンドプロセッサ７０は、得られたベースバンド信号に対してデジタルベースバンド処理７１を実行する。
【００２９】
ベースバンドプロセッサ７０は、指向性設定判定処理７３も実行することができる。指向性判定処理７３では、ビームの指向性設定の必要性の判定などが行われる。指向性判定処理７３では、例えば、デジタルベースバンド処理７１において得られた信号品質情報に基づいて、ビーム指向性設定の必要性を判定する。ビーム指向性設定は、例えば、接続中の基地局との通信品質が低下し、他の基地局に接続すべき状態になったときに行われる。指向性判定処理７３は、デジタルベースバンド処理７１から、ビーム指向性設定を指示する制御信号を受信したことに基づいて、ビーム指向性設定が必要であると判断してもよい。
【００３０】
ベースバンドプロセッサ７０は、複数（ｎ個）の入出力端子Ｔ１，Ｔ２，・・，Ｔｎを備える。ｎは、２以上の自然数であり、ここでは、ｎは、８である。ｎ個の入出力端子Ｔ１，Ｔ２，・・，Ｔｎ（Ｔ８）は、フロントエンド９０において送受信される複数系統（ｎ系統）の信号の入出力用である。複数系統の信号は、例えば、Multiple-Input and Multiple-Output（MIMO)に用いられる。
【００３１】
フロントエンド９０は、ベースバンドプロセッサ７０との間で、複数系統（ｎ系統）の信号のやりとりをするトランシーバ４０を備える。トランシーバ４０は、ベースバンドプロセッサ７０から受信した複数系統のデジタルベースバンド信号に対して、デジタル−アナログ変換及び変調などの処理を行い、複数系統のアナログＲＦ信号を、フロントエンド９０内の後段の回路に対して出力する。また、トランシーバ４０は、複数系統のアナログＲＦ信号に対して、アナログ−デジタル変換及び復調などの処理を行い、ベースバンドプロセッサ７０へ与えられる複数系統のデジタルベースバンド信号を生成する。
【００３２】
フロントエンド９０は、複数のアンテナ素子Ａを備える。図２は、複数のアンテナ素子Ａを備えるアンテナユニット２０を示している。アンテナユニット２０は、例えば、車両２０のルーフ２０ａに設置される。アンテナユニット２００は、複数（ｋ個）の基板２０１，２０２，２０３，２０４を備えている。アンテナ素子Ａは、複数（ｋ個）の基板２０１，２０２，２０３，２０４それぞれに設けられている。ｋは、１又は２以上の自然数であり、ここでは、ｋは、４である。すなわち、実施形態において、基板２０１，２０２，２０３，２０４は、４枚設けられている。４枚の基板２０１，２０２，２０２，２０３，２０４は、車両２０の前方Ｘ１、後方Ｘ２、左方Ｙ１，右方Ｙ２に向けて設けられている。以下、アンテナ素子Ａが設けられている基板２０１，２０２，２０３，２０４それぞれを、アンテナパネルという。
【００３３】
各アンテナパネル２０１，２０２，２０３，２０４は、斜め上方Ｄを向くように配置されている。斜め上方を向くことで、高所にある基地局に対して適切な配置となる。また、複数のアンテナパネル２０２，２０２，２０３，２０４が水平面において複数の方向を向いていることで、水平面における３６０°の範囲内のいずれの方向へのビームを向けることが容易となる。
【００３４】
各アンテナパネル２０１，２０２，２０３，２０４は、それぞれ、ｎ個（８個）のアンテナ系統Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７，Ａ８を備えており、ｎ個のアンテナ系統からなるｎ−アレイアンテナである。
【００３５】
各アンテナ系統Ａ１，・・，Ａ８は、それぞれ、複数（ｍ個）のアンテナ素子を備えており、ｍ個のアンテナ素子からなるｍ−アレイアンテナである。ｍは、１又は２以上の自然数であり、ここでは、ｍは、２である。
【００３６】
図２に示すように、各アンテナパネル２０１，２０２，２０３，２０４は、ｎ×ｍ個（８×２＝１６個）のアンテナ素子Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２，・・，Ａ８１，Ａ８２を備える。実施形態において、無線通信機１０は、４つのアンテナパネル２０１，２０２，２０３，２０４を備えるため、無線通信機１０が備えるアンテナ素子Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２，・・，Ａ８１，Ａ８２の数は、ｎ×ｍ×ｋ＝８×２×４＝６４である。また、無線通信機１０が利用可能なアンテナ系統Ａ１，・・，Ａ８の数は、ｎ×ｋ＝８×４＝３２である。
【００３７】
図１に示すように、ｍ個のアンテナ素子Ａの組からなるアンテナ系統Ａ１，Ａ２，・・，Ａ８それぞれに対して、１つの合成分配器５１，・・，５８が接続されている。例えば、２つのアンテナ素子Ａ１１，Ａ１２を有するアンテナ系統Ａ１には、合成分配器５１が接続されている。また、アンテナ素子Ａ８１，Ａ８２を有するアンテナ系統Ａ８には、合成分配器５８が接続されている。合成分配器５１，・・，５８は、それぞれ、ｍ個の受信した無線信号を合成することと、送信される無線信号をｍ個に分配することを行う。図１においては、アンテナ系統Ａ１，・・，Ａ８の数が３２であることに対応して、３２個の合成分配器５１，・・，５８が設けられている。
【００３８】
各アンテナ素子Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２，・・，Ａ８１，Ａ８２には、無線信号の送受信のための無線回路ＴＲｘが接続されている。図３に示すように、無線回路ＴＲｘは、送受信の切替スイッチ１０１，１０２を備える。切替スイッチ１０１，１０２は、信号の経路を、送信系と受信系とに切り替える。送信系は、移相器１０３と増幅器（パワーアンプ）１０４とを備える。受信系は、増幅器１０５と移相器１０６とを備える。移相器１０３，１０６は、ビームの指向性制御のため、無線回路ＴＲｘを介して送信または受信される信号の位相を調整する。移相器１０３，１０６は、アレイコントローラ８０によって制御される。アレイコントローラ８０は、ビームの指向性制御のため、３２個のアンテナ系統のうち８個分のアンテナ系統に含まれる移相器１０３，１０６を制御する。アレイコントローラ８０については後述する。
【００３９】
３２個のアンテナ系統に対応する３２個の合成分配器５１，・・，５８には、それぞれ、ｍ個（２個）の無線回路ＴＲｘが接続されている。合成分配器５１，・・，５８によって分配され、出力されたｍ個（２個）の信号は、ｍ個（２個）の無線回路ＴＲｘによって、それぞれ位相が調整され、ｍ個のアンテナ素子Ａから送信される。一つの合成分配器に接続されたｍ個のアンテナ素子は、一つのアレイアンテナを構成しており、指向性を持つビームを形成することができる。ｍ個のアンテナ素子Ａによって受信されたｍ個の信号は、ｍ個の無線回路ＴＲｘによって、それぞれ位相が調整され、合成分配器５１，・・，５８によって合成される。このように、一つのアンテナ系統が、複数（ｍ個）のアンテナ素子を有しているため、一つのアンテナ系統が、一つのアンテナ素子を有する場合に比べて、アンテナ利得を上げることが可能になる。すなわち、アンテナ素子が多いと、ビームの指向性が鋭くなり、無線信号の選択性も高くなり、マルチパスの影響を受けにくくなり、無線通信機１０の高速移動時に有利である。
【００４０】
前述のように、ベースバンドプロセッサ７０は、ｎ系統（８系統）の信号の送受信にしか対応していないのに対して、フロントエンド９０は、ｎのｋ倍である３２個のアンテナ系統Ａ１，・・，Ａ８を有している。ベースバンドプロセッサ７０の８系統を、フロントエンド９０の３２個のアンテナ系統のいずれかに対応づけるため、フロントエンド９０は、切替部６１，６２，・・，６８を備える。
【００４１】
切替部６１，６２，・・，６８は、ベースバンドプロセッサ７０が扱う信号の数であるｎに対応して、ｎ個（８個）設けられている。切替部６１，６２，・・，６８は、４個のアンテナパネル２０１，２０２，２０３，２０４のうち通信用に選択された一つのアンテナパネルに含まれる８個のアンテナ系統と、８系統の信号を扱うトランシーバ４０と、を接続する。例えば、アンテナパネル２０１が通信用に選択された場合、切替部６１は、アンテナパネル２０１に含まれるアンテナ系統Ａ１に接続された合成分配器５１へ、送信信号を出力する。また、同様に、切替部６２，・・，６８は、それぞれ、アンテナパネル２０１に含まれるアンテナ系統Ａ２，・・，Ａ８に接続された合成分配器５２，・・５８へ、送信信号を出力する。したがって、通信用に選択されたアンテナパネル２０１では、８個のアンテナ系統によるビームフォーミング及びＭＩＭＯ通信が可能である。また、他のアンテナパネル２０２，２０３，２０４も、通信用に選択されると、それぞれ、８個のアンテナ系統によるビームフォーミング及びＭＩＭＯ通信が可能である。
【００４２】
このように、本実施形態では、ベースバンドプロセッサ７０が扱える系統数は、ｎであるが、フロントエンド９０では、ｎよりも多い数のアンテナ系統を有している。アンテナ系統が多いことで、一つのアンテナ系統によって形成されるビームの指向性を絞ることができる。ビームの指向性を絞ることで、アンテナ利得をより向上させることができる。
【００４３】
通信用のアンテナパネルは、アレイコントローラ８０によって選択される。アレイコントローラ８０は、選択されたアンテナパネルが通信に用いられるように、切替部６１，・・，６８を制御する。通信用のアンテナパネルは、例えば、車両２０からみて基地局が存在する方向に応じて選択される。例えば、車両２０の前方Ｘ１に基地局が存在する場合は、アンテナパネル２０２が通信用に選択される。車両２０の後方Ｘ２に基地局が存在する場合は、アンテナパネル２０４が通信用に選択される。車両２０の左方Ｙ１に基地局が存在する場合は、アンテナパネル２０３が通信用に選択される。車両２０の右方Ｙ２に基地局が存在する場合は、アンテナパネル２０１が通信用に選択される。
【００４４】
図４に示すアレイコントローラ８０は、フロントエンド９０が形成するビームの指向性を制御する。指向性の制御のため、アレイコントローラ８０は、無線回路ＴＲｘ及び切替部６１，６２，・・，６８に接続されている。アレイコントローラ８０は、原則として、ベースバンドプロセッサ７０の指示に従って、ビームの指向性を制御するが、指示がないときは、自律的にビームの指向性を制御する。
【００４５】
アレイコントローラ８０は、コンピュータを備え、そのコンピュータが、コンピュータプログラムを実行することにより、アレイコントローラ８０としての機能を発揮するものであってもよいし、ハードウェアロジックによりアレイコントローラ８０としての機能を発揮するものであってもよい。
【００４６】
図５に示すように、アレイコントローラ８０は、ベースバンドプロセッサ７０からビームスイーピング指示Ｔ１が与えられると、指向性を設定するビームスイーピングモードＭ１になる。ビームスイーピングモードＭ１では、ビームの指向性を変化させてみて、通信に適したビーム指向性を探索するビームスイーピングが行われる。ビームスイーピングモードＭ１では、ビームスイーピングの結果、通信に適したビーム指向性が設定される。ビームスイーピングは、例えば、無線通信機１の周辺の複数の基地局のうち、通信に最適な基地局とその方向を探索するために行われる。
【００４７】
ビームスイーピングモードＭ１が完了すると、アレイコントローラ８０は、自動トラッキングモードＭ２になる。自動トラッキングモードＭ２中は、設定されたビーム指向性で通信を行うことができる。アレイコントローラ８０は、自動トラッキングモードＭ２中において、自律的にビームトラッキングを行って、指向性設定値を修正する。ビームトラッキングは、無線通信機１０の移動に伴って、通信相手への最適なビーム指向性が変化するのに追従するように、無線通信機１０が形成するビームの指向性を修正させることである。
【００４８】
図６に示すように、ビームスイーピングを行うことにより、無線通信機１０から形成されるビームＢが最適な基地局３０を向くように設定されていても、無線通信機１０が移動すると、ビームＢの向きが適切ではなくなる。そこで、ビームトラッキングによって、ビームＢが基地局３０を向くように、ビームＢの指向性が微調整される。したがって、ベースバンドプロセッサ７０から与えられるビームスイーピング指示の頻度が高くなくても、フロントエンド９０では、アレイコントローラ８０が、自律的にビームトラッキングを行って、ビームＢの指向性を適切に維持することができる。
【００４９】
アレイコントローラ８０は、ビーム指向性を設定してから、ビームスイーピング指示を再度受け付けるまでの間に、自動トラッキングモードＭ２を実行する。すなわち、アレイコントローラ８０は、自動トラッキングモードＭ２中に、ベースバンドプロセッサ７０からビームスイーピング指示Ｔ２が再び与えられると、ビームスイーピングモードＭ１になる。ビームスイーピングモードＭ１では、再びビームスイーピングが行われ、指向性が再設定される。このように、アレイコントローラ８０は、自律的にビーム指向性を制御することができるが、ベースバンドプロセッサ７０からビームスイーピング指示が与えられると、その指示に従って、指向性を再設定する。
【００５０】
図４に戻り、アレイコントローラ８０は、ベースバンドプロセッサ７０から与えられたビーム指向性の設定値が格納される指向性レジスタ８１を備える。ビーム指向性の設定値は、ビームの方向を示す値である。
【００５１】
アレイコントローラ８０は、ベースバンドプロセッサ７０から与えられたビームスイーピングパラメータが格納されるビームスイーピングレジスタ８５を備える。ビームスイーピングパラメータは、ビームスイーピングのために形成される複数のビーム指向性（ビーム指向性候補）の設定値を含むことができる。また、ビームスイーピングパラメータは、ビームの指向性を変化させる速度、及びビームの指向性を変化させる角度範囲を示してよい。
【００５２】
ビームスイーピングパラメータは、指向性設定判定処理７２によって生成され、ビームシーピング指示とともに、アレイコントローラ８０に与えられる。アレイコントローラ８０は、ビームスイーピングパラメータを含むビームスイーピング指示を、ベースバンドプロセッサ７０から受け付けると、ビームスイーピングパラメータを、レジスタ８５に格納する。
【００５３】
図７は、ビームスイーピングの際に形成されるビームＢ１−１，Ｂ１−２，Ｂ２−１，Ｂ２−２，Ｂ３−１，Ｂ３−２，Ｂ４−１，Ｂ４−２の例を示している。図７の例では、水平面における３６０°の角度範囲に、等間隔に、８本のビームＢ１−１，Ｂ１−２，Ｂ２−１，Ｂ２−２，Ｂ３−１，Ｂ３−２，Ｂ４−１，Ｂ４−２が、ビーム指向性候補として、ビームスイーピングのために形成される。ビームスイーピングモードＭ１では、８本のビームＢ１−１，Ｂ１−２，Ｂ２−１，Ｂ２−２，Ｂ３−１，Ｂ３−２，Ｂ４−１，Ｂ４−２のうち、最適なビームの指向性が決定される。ビームスイーピングモードＭ１で決定されたビーム指向性は、ビーム指向性の設定値として、ベースバンドプロセッサ７０から、アレイコントローラ８０に与えられる。与えられたビーム指向性の設定値は、指向性レジスタ８１に格納される。指向性設定値が、レジスタ８１に格納されると、ビームスイーピングによる指向性設定が完了する。
【００５４】
アレイコントローラ８０は、指向性内部レジスタ８３を備える。レジスタ８３は、アレイコントローラ８０が実際にビームの指向性の制御に用いるビーム指向性設定値が、格納される。レジスタ８３には、例えば、レジスタ８５に格納された指向性の設定値の修正値が格納される。修正値は、指向性ローカルトラッカー８４によって生成される。指向性ローカルトラッカー８４は、無線通信機１０の移動に追従すべく、ビームトラッキングを行って、ビームの指向性を修正する。ビームトラッキングは、ビームスイーピングによって設定された指向性の微調整でよいため、ビームトラッキングによるビームの指向性の修正は、ビームスイーピングが行われる角度範囲よりも狭い角度範囲内で行うのが好ましい。例えば、ビームスイーピングが行われる角度範囲が３６０°である場合、ビームトラッキングは、ビームスイーピングによって設定されたビームの向きを中心として、４５°の角度範囲内で行うことができる。
【００５５】
アレイコントローラ８０は、指向性レジスタ８１に格納された指向性の設定値と、指向性ローカルトラッカー８４に格納された指向性の修正値と、のいずれを、指向性内部レジスタ８３に格納するかを選択する選択器８２を備えている。
【００５６】
選択器８２は、指向性レジスタ８１に格納されている指向性設定値に変更があれば、指向性レジスタ８１に格納されている指向性設定値を、優先的に指向性内部レジスタ８３に反映させる。その後、指向性ローカルトラッカー８４は、ビームトラッキングを行って、指向性内部レジスタ８３に格納された指向性設定値を微修正する。選択器８２は、指向性レジスタ８１に格納されている指向性設定値に変更がないときは、指向性ローカルトラッカー８４によって生成された指向性設定値の修正値を、指向性内部レジスタ８３に反映させる。
【００５７】
このように、指向性内部レジスタ８３には、ベースバンドプロセッサ７０から指向性設定値が与えられれば、ベースバンドプロセッサ７０から与えられた指向性設定値が格納される。そして、ベースバンドプロセッサ７０から指向性設定値が与えられて、次にベースバンドプロセッサ７０から指向性設定値が与えられるまでの間は、指向性内部レジスタ８３には、指向性ローカルトラッカー８４によって生成された指向性設定値の修正値が格納される。
【００５８】
つまり、アレイコントローラ８０は、ベースバンドプロセッサ７０から指向性設定値が与えられれば、与えられた指向性設定値を、アレイコントローラ８０が実際にビームの指向性の制御に用いるビーム指向性設定値として用いる。ただし、ベースバンドプロセッサ７０から指向性設定値が与えられて、次にベースバンドプロセッサ７０から指向性設定値が与えられるまでの間に、車両２０が高速に移動すると、ビーム指向性が適切でなくなることがある。そこで、アレイコントローラ８０は、ベースバンドプロセッサ７０から指向性設定値が与えられなくても、指向性ローカルトラッカー８４により自律的にビームトラッキングを行って、指向性設定値を修正する。この結果、ベースバンドプロセッサ７０から指向性設定値が与えられる頻度が高くなくても、アレイコントローラ８０は、自律的に、ビームの指向性を適切に修正することができる。
【００５９】
アレイコントローラ８０は、指向性−位相テーブル８７を備える。テーブル８７は、指向性内部レジスタ８３に格納された指向性（ビーム角）を、位相の制御値に変換するためのテーブルを含む。また、テーブルは、指向性内部レジスタ８３に格納された指向性（ビーム角）から、アンテナパネル２０１，２０２，２０３，２０４を選択するべく、切替部６１，６２，・・・，６８に与えられる制御値を生成するためのテーブルを含む。
【００６０】
一般に、ビームの指向性を制御するには、アレイアンテナにおいて送受信される複数の信号それぞれの位相を制御すればよいが、本実施形態では、ビームの指向性を制御するために、アンテナパネル２０１，２０２，２０３，２０４を選択することも行われる。
【００６１】
前述のように、実施形態のフロントエンド９０は、複数のアンテナパネル２０１，２０２，２０３，２０４を備えている。複数のアンテナパネル２０１，２０２，２０３，２０４は、水平面における３６０°の角度範囲内におけるビーム形成を分担している。例えば、図２において前方Ｘ１に向けられたアンテナパネル２０２は、図７におけるＢ１の角度範囲内でのビーム形成を担う。角度範囲は、例えば、４５°である。同様に、後方Ｘ２に向けられたアンテナパネル２０４は、図７におけるＢ３の角度範囲内でのビーム形成を担う。左方Ｙ１に向けられたアンテナパネル２０３は、図７におけるＢ４の角度範囲内でのビーム形成を担う。右方Ｙ２に向けられたアンテナパネル２０１は、図７におけるＢ２の角度範囲内でのビーム形成を担う。
【００６２】
したがって、アレイコントローラ８０は、指向性内部レジスタ８３に設定されたビーム指向性（ビーム角）を、フロントエンド７０において実現するため、位相を調整するＴＲｘと切替部６１，６２，・・・，６８を制御する。
【００６３】
例えば、指向性内部レジスタ８３に設定されたビーム指向性（ビーム角）φが、図７の角度範囲Ｂ２内に含まれる角度である場合、アレイコントローラ８０は、テーブル８７を参照して、レジスタ８３の設定値から、通信用のアンテナパネルを選択する。具体的には、アレイコントローラ８０は、テーブル８７を参照して、角度範囲Ｂ２を担うアンテナパネル２０１を、通信用として選択する。この場合、図１に示す切替部６１は、アンテナパネル２０１に含まれるアンテナ系統Ａ１に接続された合成分配器５１へ、送信信号を出力することができる。また、同様に、切替部６２，・・，６８は、それぞれ、アンテナパネル２０１に含まれるアンテナ系統Ａ２，・・，Ａ８に接続された合成分配器５２，・・５８へ、送信信号を出力することができる。受信も同様に、アンテナパネル２０１によって行われる。さらに、アレイコントローラ８０は、角度範囲Ｂ２内において、角度φのビームが形成されるように、テーブル８７を参照して、アンテナパネル２０１に含まれるアンテナ系統Ａ２，・・，Ａ８に接続されたＴＲｘの移相器１０３，１０６に対する位相制御量ｗ求め、移相器１０３，１０６を制御する。
【００６４】
アレイコントローラ８０は、選択器８６を備える。アレイコントローラ８０がビームスイーピング指示を受け付けた場合、選択器８６は、指向性内部レジスタ８３に格納されたビーム指向性設定値ではなく、ビームスイーピングレジスタ８５格納された複数のビーム指向性候補の設定値が、指向性制御に用いられるようにする。ビームスイーピングのためのビーム指向性候補の設定値が、図７に示すビームＢ１−１，Ｂ１−２，Ｂ２−１，Ｂ２−２，Ｂ３−１，Ｂ３−２，Ｂ４−１，Ｂ４−２を形成するものである場合、ビームを形成するアンテナパネル２０１，２０２，２０３，２０４が順次切り替えられるとともに、各アンテナパネル２０１，２０２，２０３，２０４に接続された移相器１０３，１０６が制御される。この結果、ビームスイーピングとして、図７に示すビームＢ１−１，Ｂ１−２，Ｂ２−１，Ｂ２−２，Ｂ３−１，Ｂ３−２，Ｂ４−１，Ｂ４−２が順次形成される。
【００６５】
図８Ａ及び図８Ｂは、ビームスイーピングとビームトラッキングとを含むビームフォーミング処理を示している。図８Ａは、ビームスイーピングによる指向性設定に関し、基地局のアシストがある場合の手順を示し、図８Ｂは、ビームスイーピングによる指向性設定に関し、基地局のアシストがない場合の手順を示す。
【００６６】
図８Ａに示すステップＳ１−１において、車載移動局１０の電源がＯＮになると、ベースバンドプロセッサ７０が、アレイコントローラ８０に、最適なビーム指向性を決めるためのビームスイーピング指示を出す。なお、車載移動局１０の電源がＯＮは、車両２０のエンジンスタートとともに行われてもよいし、別途、手動で行われてもよい。
【００６７】
ステップＳ１−２において、アレイコントローラ８０は、ビームスイーピング指示を受け付けると、ビームスイーピングモードＭ１となり、ビームスイーピングを実行する。ビームスイーピング中に形成されるビームの指向性は、予めアレイコントローラ８０が備える複数の指向性設定により形成されるものであってもよいし、ベースバンドプロセッサ７０が指定する複数の指向性設定により形成されるものであってもよい。
【００６８】
ビームスイーピングモードＭ１中において、基地局から車載移動局１０へ、最適な指向性設定状態を示す指向性設定値が送られてくる。ステップＳ１−３において、ベースバンドプロセッサ７０は、基地局からの指向性設定値の取得に成功したら、その指向性設定値をアレイコントローラ８０に与える。アレイコントローラ８０は、その指向性設定値を指向性レジスタ８１に設定する。アレイコントローラ８０は、指向性設定値の取得に失敗したら、Ｓ１−２に戻る。
【００６９】
ステップＳ１−４において、アレイコントローラ８０は、ビームスイーピング指示の有無の判定を行う。再度の指示がない状態であれば、ステップＳ１−５において、自動ビームトラッキングモードＭ２になる。自動トラッキングモードは、ステップＳ１−４において、再度の指示があると判定されるまで継続する。再度の指示があれば、Ｓ１−２に戻り、再びビームスイーピングが実行される。
【００７０】
自動トラッキングモードＭ２においては、アレイコントローラ８０は、常時最適な指向性を計測し、自動的にビームトラッキングを行う。この時、単位時間当たりに変更する指向性は、所定の閾値以下に制限される。これは、突然、指向性が大きく変化することは少ないためである。単位時間当たりに変更する指向性が所定の閾値以下に制限されていることで、ビームトラッキングのために最適な指向性を監視する範囲を狭くでき、ビームトラッキング処理を高速に行うことができる。
【００７１】
図８Ｂにおいて、ステップＳ２−１，Ｓ２−２，Ｓ２−４，Ｓ２−５は、図８ＡのステップＳ１−１，１−２，１−４，１−５と同様であり、ステップＳ２−３が、図８ＡのステップＳ１−３とは異なる。
【００７２】
図８Ｂに示す手順では、ベースバンドプロセッサ７０は、ビームスイーピングモードＭ１中において、複数のビーム指向性候補のうち、最適な指向性と判断したビーム指向性候補を示す指向性設定値を、アレイコントローラ８０に与える。アレイコントローラ８０は、その指向性設定値を指向性レジスタ８１に設定する。ベースバンドプロセッサ７０が最適な指向性を決定できず、アレイコントローラ８０が指向性設定値を取得できなければ、Ｓ１−２に戻る。
【００７３】
図９Ａ及び図９Ｂは、アレイコントローラ８０の配置のバリエーションを示している。図９Ａは、以上の説明と同様に、アレイコントローラ８０が、ベースバンドプロセッサ７１外に設けられている。図９Ａのアレイコントローラ８０は、ベースバンドプロセッサ７０からの指示等に基づいて、無線回路ＴＲｘに含まれるアナログ移相器１０３，１０６をアナログ信号によって制御する。一方、図９Ｂのアレイコントローラ８０は、ベースバンドプロセッサ７０に含まれている。図９Ｂのアレイコントローラ８０は、例えば、ベースバンドプロセッサ７０内に形成されたハードウェアモジュールであってもよいし、ベースバンドプロセッサ７０によって実行されるソフトウェアモジュールであってもよい。図９Ｂのベースバンドプロセッサ７０は、デジタル位相器７３を備えており、信号の移相制御をデジタル信号処理によって行う。デジタル位相器７３は、アレイコントローラ８０によって制御される。この場合、無線回路ＴＲｘは、アナログ移相器を備える必要がない。なお、フロントエンド９０が、切替部６１，６２，・・，６８を備える場合には、図９Ｂのアレイコントローラ８０は、デジタル位相器７３と、フロントエンド９０内の切替を制御する。
【００７４】
図１０は、通信中に行われることがある自動トラッキングモードＭ２において、通信を維持したまま、ビームトラッキングをするための方法の一例を示している。図１０に示すように、通信用にアンテナパネル（アレイアンテナ）２０２が選択されている場合、通信に用いていないアンテナパネル（アレイアンテナ）２０１，２０３を用いて受信した信号を、指向性ローカルトラッカー８４が取得する。トラッカー８４は、取得した信号に基づいて、電波の到来方向を推定することができる。通信用にアンテナアパネル２０２が選択されて、通信用ビームＢ０２が形成されている場合、その両隣のアンテナパネル２０１，２０３は、通信用ビームＢ０２の近傍の範囲に向けてビームＢ０１，Ｂ０３を形成することができる。トラッカー８４は、アンテナパネル２０１，２０３によって受信した信号に基づいて推定された電波到来方向に基づいて、通信用ビームＢ０２の指向性を修正する。
【００７５】
図１１は、自動トラッキングモードＭ２において、通信を維持したまま、ビームトラッキングをするための方法の他の例を示している。例えば、図１１に示すアンテナ素子Ａ１１，Ａ１２を含むアレイアンテナが通信に用いられている場合、アレイコントローラ８０のトラッカー８４は、アンテナ素子Ａ１１，Ａ１２によって受信した複数の信号の合成電力を最大にする相対移相量に基づいて、ビームトラッキングを行うことができる。
【００７６】
図１１において、合成分配器５１とＴＲｘとを接続する信号線４１，４２の中途には、分岐線４３，４４が接続されている。分岐線４３，４４は、合成器４６に接続されている。合成器４６は、アンテナ素子Ａ１１，Ａ１２によって受信した信号を合成する。合成器４６から出力される合成信号は、アレイコントローラ８０に与えられる。分岐線４４の中途には、調整用移相器４５が設けられている。移相器４５は、アレイコントローラ８０により位相調整量が制御される。
【００７７】
図１１では、アンテナ素子Ａ１１によって受信した信号は、位相が調整されずに合成器４６に与えられるのに対して、アンテナ素子Ａ１２によって受信した信号は、位相が調整されて、合成器４６に与えられる。合成器４６から出力される合成信号は、図１２Ａに示すように、調整用移相器４５の位相調整量によって大きさが変化する。図１２は、位相調整量を変化させたときの合成信号の電力強度の変化を示している。図１２に示すように、位相調整量がθ１のときに、合成信号の電力が最大になっている。合成信号を最大にする位相調整量は、現在のビーム角と最適ビーム角との差に対応している。したがって、トラッカー８４は、位相調整量に基づいて、無線回路ＴＲｘ内の移相器１０３，１０６を制御することで、ビーム指向性を適切な方向に修正することができる。
【００７８】
［３．付記］
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７９】
１０  無線通信機
２０  車両
２０ａ  ルーフ
３０  基地局
４１  信号線
４２  信号線
４３  分岐線
４４  分岐線
４５  調整用移相器
４６  合成器
５１  合成分配器
５８  合成分配器
６１  切替部
６２  切替部
６８  切替部
７０  ベースバンドプロセッサ
７１  デジタルベースバンド処理
７２  指向性設定判定処理
７３  デジタル移相器
８０  アレイコントローラ
８１  指向性レジスタ
８２  選択器
８３  指向性内部レジスタ
８４  指向性ローカルトラッカー
８５  ビームスイーピングレジスタ
８６  選択器
８７  指向性−位相テーブル
１０１  切替スイッチ
１０２  切替スイッチ
１０３  移相器
１０４  増幅器
１０５  増幅器
１０６  移相器
９０  フロントエンド
２００  アンテナモジュール
２０１  アンテナパネル
２０２  アンテナパネル
２０３  アンテナパネル
２０４  アンテナパネル
Ａｎｍ  アンテナ素子
Ａｎ    アンテナ系統
Ｂ    ビーム
Ｂ１−１  ビーム
Ｂ１−２  ビーム
Ｂ２−１  ビーム
Ｂ２−２  ビーム
Ｂ３−１  ビーム
Ｂ３−２  ビーム
Ｂ４−１  ビーム
Ｂ４−２  ビーム
Ｂ１  角度範囲
Ｂ２  角度範囲
Ｂ３  角度範囲
Ｂ４  角度範囲
Ｄ  斜め上方
Ｍ１  ビームスイーピングモード
Ｍ２  自動トラッキングモード
Ｔ１  ビームスイーピング指示
Ｔ２  ビームスイーピング指示
ＴＲｘ  無線回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2019080276.tif 000011
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
2019080276.tif 000013
【図１０】
2019080276.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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