(57)【要約】【課題】アレーセンサのパターンや素子間隔が揃えられなくても、到来方向推定の精度を高めることができる到来方向推定装置を提供する。【解決手段】複数のセンサを有するアレーセンサによる信号の検出結果に基づいて、複数の異なる座標系のそれぞれごとに到来方向推定法により前記信号の到来方向推定の結果を算出する座標系到来方向推定部と、前記座標系到来方向推定部により算出された到来方向推定の結果を合成する到来方向合成部と、を備える到来方向推定装置である。【選択図】図１
2015200520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサを有するアレーセンサによる信号の検出結果に基づいて、複数の異なる座標系のそれぞれごとに到来方向推定法により前記信号の到来方向推定の結果を算出する座標系到来方向推定部と、
前記座標系到来方向推定部により算出された到来方向推定の結果を合成する到来方向合成部と、
を備える到来方向推定装置。
【請求項２】
前記到来方向合成部は、共通の座標系で、前記座標系到来方向推定部により算出された到来方向推定の結果を合成する、
請求項１に記載の到来方向推定装置。
【請求項３】
前記座標系到来方向推定部は、前記複数の異なる座標系について、同じ到来方向推定法のアルゴリズムを使用する、
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の到来方向推定装置。
【請求項４】
前記座標系到来方向推定部は、前記複数の異なる座標系について、少なくとも２個の異なる座標系で使用する到来方向推定法のアルゴリズムが異なる、
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の到来方向推定装置。
【請求項５】
前記座標系到来方向推定部は、前記複数の異なる座標系について、前記アレーセンサによる信号の検出結果として、同じ信号の検出結果を用いる、または、所定の時間ずれた信号の検出結果を用いる、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の到来方向推定装置。
【請求項６】
座標系到来方向推定部が、複数のセンサを有するアレーセンサによる信号の検出結果に基づいて、複数の異なる座標系のそれぞれごとに到来方向推定法により前記信号の到来方向推定の結果を算出し、
到来方向合成部が、前記座標系到来方向推定部により算出された到来方向推定の結果を合成する、
到来方向推定方法。
【請求項７】
複数のセンサを有するアレーセンサによる信号の検出結果に基づいて、複数の異なる座標系のそれぞれごとに到来方向推定法により前記信号の到来方向推定の結果を算出するステップと、
前記算出された到来方向推定の結果を合成するステップと、
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、到来方向推定装置、到来方向推定方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の無線通信では、アンテナ素子を複数並べてアレーアンテナとし、各アンテナ素子の振幅や位相を調整して所望の方向にビームを向けることが行われる。例えば、アレーアンテナでは、干渉波の方向にヌルを向けることで干渉波のレベルを抑圧することが行われる。このような指向性制御の技術は、移動体（例えば、端末装置）の基地局装置に適用されるだけでなく、Ｗｉ−Ｆｉ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｆｉｄｅｌｉｔｙ）のアクセスポイントに適用される例もある。
【０００３】
また、将来的には、スマートフォンやタブレットなどの端末装置同士の通信が検討されている。端末装置同士の通信としては、例えば、Ｄ２Ｄ（Ｄｅｖｉｃｅ  ｔｏ  Ｄｅｖｉｃｅ）通信や、Ｍ２Ｍ（Ｍａｃｈｉｎｅ  ｔｏ  Ｍａｃｈｉｎｅ）通信がある。
このような端末装置間の通信においても、通信の効率を高めるために、端末装置に内蔵されたアンテナを用いて指向性制御の技術を適用することが考えられる。例えば、送信側でターゲットの方向にビームを向けることで、ＳＩＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）を高くすることができ、周辺への干渉電力を低減することができる。また、受信側においても、所望波の方向にビームの方向（指向性の方向）を向け、干渉波の方向にヌルを向けることで、受信のＳＩＮＲを高くすることができる。
【０００４】
端末装置に内蔵されたアンテナを利用して指向性を制御する場合、特に高い周波数では素子間隔（波長を基準とした場合の素子間隔）が大きく（広く）なることから、ヌルとビームの電力差が大きくなる。このため、指向性制御の技術の高い効果が見込まれる。
ここで、アレーアンテナにおいて、いずれの方向にビームやヌルを向けるかを決定するためには、所望波や干渉波がいずれの方向から到来するかを調査する必要がある。この調査の方法として、アレーアンテナを用いた電波の到来方向推定の技術がある。特に、近年では、水平方向だけでなく垂直方向からも電波が到来するため、水平角と仰角を同時に推定する２次元の到来方向推定の検討もなされている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９７９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の到来方向推定技術では、矩形のアレーアンテナや円形のアレーアンテナなどのように、放射パターンや素子間隔が揃っているものを利用する場合が多く、高い推定精度が得られる。一方、端末装置に内蔵されたアンテナなどでは、アンテナのパターンや素子位置が実装に依存する場合が多いため、放射パターンや素子間隔を揃えることが困難な場合が多い。また、高い周波数では素子間隔が大きくなる（例えば、波長に比べて大きくなる）ため、グレーティングローブと呼ばれる虚像が生じ、到来方向推定の精度が大きく劣化する。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、到来方向推定の精度を高めることができる到来方向推定装置、到来方向推定方法およびプログラムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る到来方向推定装置は、複数のセンサを有するアレーセンサによる信号の検出結果に基づいて、複数の異なる座標系のそれぞれごとに到来方向推定法により前記信号の到来方向推定の結果を算出する座標系到来方向推定部と、前記座標系到来方向推定部により算出された到来方向推定の結果を合成する到来方向合成部と、を備える到来方向推定装置である。
【０００９】
（２）本発明の一態様は、上記した（１）に記載の到来方向推定装置において、前記到来方向合成部は、共通の座標系で、前記座標系到来方向推定部により算出された到来方向推定の結果を合成する、構成が用いられてもよい。
【００１０】
（３）本発明の一態様は、上記した（１）または上記した（２）のいずれか１つに記載の到来方向推定装置において、前記座標系到来方向推定部は、前記複数の異なる座標系について、同じ到来方向推定法のアルゴリズムを使用する、構成が用いられてもよい。
【００１１】
（４）本発明の一態様は、上記した（１）または上記した（２）のいずれか１つに記載の到来方向推定装置において、前記座標系到来方向推定部は、前記複数の異なる座標系について、少なくとも２個の異なる座標系で使用する到来方向推定法のアルゴリズムが異なる、構成が用いられてもよい。
【００１２】
（５）本発明の一態様は、上記した（１）から上記した（４）のいずれか１つに記載の到来方向推定装置において、前記座標系到来方向推定部は、前記複数の異なる座標系について、前記アレーセンサによる信号の検出結果として、同じ信号の検出結果を用いる、または、所定の時間ずれた信号の検出結果を用いる、構成が用いられてもよい。
【００１３】
（６）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る到来方向推定方法は、座標系到来方向推定部が、複数のセンサを有するアレーセンサによる信号の検出結果に基づいて、複数の異なる座標系のそれぞれごとに到来方向推定法により前記信号の到来方向推定の結果を算出し、到来方向合成部が、前記座標系到来方向推定部により算出された到来方向推定の結果を合成する。
【００１４】
（７）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るプログラムは、複数のセンサを有するアレーセンサによる信号の検出結果に基づいて、複数の異なる座標系のそれぞれごとに到来方向推定法により前記信号の到来方向推定の結果を算出するステップと、前記算出された到来方向推定の結果を合成するステップと、をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、到来方向推定の精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る通信装置の概略的な構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る２個の端末装置の間の通信の一例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る基地局装置と端末装置との間の通信の一例を示す図である。
【図４】端末装置における８００ＭＨｚ帯のビーム制御の一例を示す図である。
【図５】端末装置における３．５ＧＨｚ帯のビーム制御の一例を示す図である。
【図６】グレーティングローブの一例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る端末装置における３次元座標系の一例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る座標系１の例を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る座標系２の例を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る座標系３の例を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る座標系１での到来波推定結果の一例を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る座標系２での到来波推定結果の一例を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る座標系３での到来波推定結果の一例を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係るスペクトラム合成結果での到来波推定結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
［本実施形態に係る通信装置の概要］
図１は、本発明の一実施形態に係る通信装置１の概略的な構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る通信装置１は、アンテナ部１１と、入力部１２と、出力部１３と、記憶部１４と、制御部１５を備える。
アンテナ部１１は、アレーアンテナ３１を備える。
制御部１５は、通信制御部５１と、到来方向推定部５２を備える。
到来方向推定部５２は、座標系到来方向推定部７１と、到来方向合成部７２を備える。
【００１８】
通信装置１は、様々なものに適用されてもよく、例えば、スマートフォンやタブレットなどの端末装置や、基地局装置などに適用されてもよい。
アンテナ部１１は、アンテナ（本実施形態では、アレーアンテナ３１）により無線の信号を送信や受信する。
アレーアンテナ３１は、２個以上のアンテナ素子を有する。それぞれのアンテナ素子は、無線の信号を送信や受信する。
【００１９】
入力部１２は、外部から情報を入力する。入力部１２は、例えば、ユーザ（人）から指示などを入力するキーやマウスなどを有し、また、例えば、外部の装置と接続して当該外部の装置から情報を入力するインタフェースを有する。
出力部１３は、外部へ情報を出力する。出力部１３は、例えば、ユーザに対して情報を出力する表示部や音声出力部などを有し、また、例えば、外部の装置と接続して当該外部の装置へ情報を出力するインタフェースを有する。
記憶部１４は、情報を記憶する。記憶部１４は、例えば、制御部１５により使用されるプログラムの情報や、各種のパラメータの情報などを記憶する。
【００２０】
制御部１５は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）を有しており、各種の制御を行う。
通信制御部５１は、アレーアンテナ３１を用いて信号を通信（送信や受信）する処理を制御する。通信制御部５１は、例えば、送信対象の信号をアレーアンテナ３１により無線送信する処理や、アレーアンテナ３１により受信された信号の処理を制御する。通信制御部５１は、例えば、アレーアンテナ３１による信号の送信時には、各アンテナ素子から送信される信号の振幅や位相を制御することで、送信の指向性（放射パターン）を制御し、また、アレーアンテナ３１による信号の受信時には、各アンテナ素子により受信された信号の振幅や位相を制御することで、受信の指向性（受信パターン）を制御する。
【００２１】
到来方向推定部５２は、アレーアンテナ３１により受信された信号（受信信号）の到来方向を推定（推定的に検出）する。
座標系到来方向推定部７１は、複数の座標系のうちのそれぞれの座標系を用いて、受信信号の到来方向を推定する。座標系到来方向推定部７１は、例えば、所定の到来方向推定法のアルゴリズムを用いて、到来方向推定の結果を演算（算出）する。
到来方向合成部７２は、座標系到来方向推定部７１により得られたそれぞれの座標系ごとの到来方向推定の結果について所定の合成を行い、当該合成後の到来方向推定結果を取得する。
【００２２】
［通信装置の適用例］
通信装置の一例として、スマートフォンやタブレットなどの端末装置が用いられてもよい。
図２は、本発明の一実施形態に係る２個の端末装置１０１〜１０２の間の通信の一例を示す図である。
端末装置１０１は、４個のアンテナ素子１１１−１〜１１１−４を内蔵して備えており、これらのアンテナ素子１１１−１〜１１１−４をアレーアンテナとして用いてビームフォーミングによりビームを制御することができる。
同様に、端末装置１０２は、４個のアンテナ素子１１２−１〜１１２−４を内蔵して備えており、これらのアンテナ素子１１２−１〜１１２−４をアレーアンテナとして用いてビームフォーミングによりビームを制御することができる。
端末装置１０１、１０２は、ビームを制御して、電波１５１、１５２の指向性（当該ビームの指向性）を制御することにより、周囲への干渉を抑圧することや、ＳＩＮＲを改善することができる。
【００２３】
なお、アンテナ素子１１１−１〜１１１−４、１１２−１〜１１２−４としては、例えば、棒状のアンテナ素子が用いられてもよく、または、他の形状のアンテナ素子が用いられてもよい。
同一の端末装置１０１、１０２に備えられる複数のアンテナ素子１１１−１〜１１１−４、１１２−１〜１１２−４としては、例えば、すべてが同じ（形状等の特性が同じ）アンテナ素子が用いられてもよく、または、異なる（形状等の特性が異なる）アンテナ素子が含まれてもよい。一例として、同一の端末装置１０１、１０２に備えられる複数のアンテナ素子１１１−１〜１１１−４、１１２−１〜１１２−４としては、メインのアンテナ素子とサブのアンテナ素子を含んでもよい。
【００２４】
通信装置の他の一例として、基地局装置が用いられてもよい。
図３は、本発明の一実施形態に係る基地局装置２０１と端末装置２０２との間の通信の一例を示す図である。
基地局装置２０１は、ビルなどの建物２３１の屋上などに設置されている。
基地局装置２０１は、３個のアンテナ素子２１１−１〜２１１−３を備えており、これらのアンテナ素子２１１−１〜２１１−３をアレーアンテナとして用いてビームフォーミングによりビームを制御することができる。
基地局装置２０１は、ビームを制御して、電波２５１、２５２、２５３の指向性（当該ビームの指向性）を制御することにより、端末装置２０２に対して効率良くビームを向けることができる。
基地局装置２０１では、Ｍａｓｓｉｖｅ  ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）などに適用することができる。
【００２５】
ここで、図２に示される端末装置１０１〜１０２や、図３に示される基地局装置２０１は、通信相手の装置（図２の例では通信相手の端末装置１０１〜１０２、図３の例では端末装置２０２）の位置を推定し、その推定の結果に基づいてビームの指向性を制御する。
通信相手の装置の位置を推定する手法としては、通信相手の装置から到来する電波（到来波）の方向を推定する到来方向推定法がある。通常、到来方向推定の精度が高い方が、ビームフォーミングの精度が高いと考えられる。
なお、通信相手の装置の位置を推定する際に、到来する電波の方向（ビームの方向）だけでなく、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）の情報なども組み合わせて、フィードバックすることで、さらに高精度化を図ることも考えられる。
【００２６】
［端末装置におけるビーム制御］
図４および図５に、端末装置におけるビーム制御の例を示す。
本例では、図２に示される端末装置１０１、１０２のように、４個のアンテナ素子を内蔵して備える端末装置におけるビーム制御の例を示す。それぞれのアンテナ素子として、板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ：Ｐｌａｎａｒ  Ｉｎｖｅｒｔｅｄ−Ｆ  Ａｎｔｅｎｎａ）が用いられている。４個のアンテナ素子で周波数が共用されている。
【００２７】
図４は、端末装置における８００ＭＨｚ帯のビーム制御の一例を示す図である。
図４に示されるグラフにおいて、横軸は端末装置の水平方向の角度［ｄｅｇｒｅｅ］を表しており、縦軸は信号のレベル［ｄＢ］を表している。このグラフに、端末装置における４個のアンテナ素子による受信信号を合成したパターン１００１の一例を示してある。
図４に示されるように、比較的低周波である８００ＭＨｚ帯では、素子間隔が小さく（狭く）なる（例えば、波長に比べて小さくなる）ため、パターン１００１による利得差は２ｄＢ程度であり、ビームフォーミングの効果は小さい。
なお、端末装置の水平方向としては、一例として、端末装置を正面から見た場合における左右の方向であり、また、他の様々な方向が用いられてもよい。
【００２８】
図５は、端末装置における３．５ＧＨｚ帯のビーム制御の一例を示す図である。
図５に示されるグラフにおいて、横軸は端末装置の水平方向の角度［ｄｅｇｒｅｅ］を表しており、縦軸は信号のレベル［ｄＢ］を表している。このグラフに、端末装置における４個のアンテナ素子による受信信号を合成したパターン１０１１の一例を示してある。
図５に示されるように、比較的高周波である３．５ＧＨｚ帯では、素子間隔が大きく（例えば、波長に比べて大きく）なり、ビームのパターン１０１１に急峻なヌル１０１２が生じる。
端末装置では、例えば、ターゲットの方向にビーム（または、その付近）を向けることや、干渉の方向にヌル（または、その付近）を向けることで、ＳＩＮＲを改善することができる。
図４や図５の例では、例えば、到来方向推定の精度が５度（ｄｅｇｒｅｅ）ずれると、ＳＩＮＲが５ｄＢ程度変動する。
【００２９】
ここで、アレーアンテナにおいて、アンテナのパターン（例えば、放射パターン）やアンテナ素子の配列（例えば、素子間隔）が揃っている場合には、高い精度でパス（到来波）の方向が推定される。このようなアレーアンテナとしては、例えば、Ｍ×Ｍ（Ｍは２以上の整数）のアンテナ素子を有する矩形アレーアンテナや、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個のアンテナ素子を有する円形アレーアンテナなどがある。なお、アンテナ素子の素子間隔としては、例えば、電波の半波長などが用いられる。
【００３０】
一方、端末装置に内蔵されるアレーアンテナでは、アンテナのパターン（例えば、放射パターン）やアンテナ素子の配列（例えば、素子間隔）の自由度が少ない場合が多く、端末装置の大きさや形状などに依存するため、パス（到来波）の方向の精度が劣化する場合が多い。特に、高周波で利用する場合には、アンテナ素子の素子間隔が大きく（例えば、波長に比べて大きく）なるため、グレーティングローブが発生する。
【００３１】
一般的に、複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナにおいて、あるアンテナ素子とそれに最も近接する他のアンテナ素子との距離（例えば、位相中心の距離）を最近接距離として、少なくとも１組の２個の異なるアンテナ素子の最近接距離（素子間隔）が電波の半波長を超える場合にはグレーティングローブが発生し、そうでない場合にはグレーティングローブは発生しない。
また、アレーアンテナとしては、複数のアンテナ素子のすべてが等しい間隔で配列された等間隔アレーアンテナが用いられてもよく、または、複数のアンテナ素子のうちで少なくとも１組の２個の異なるアンテナ素子の素子間隔が他の素子間隔とは異なる不等間隔アレーアンテナが用いられてもよい。
【００３２】
図６は、グレーティングローブの一例を示す図である。
図６に示されるグラフにおいて、横軸は端末装置の水平方向の角度［ｄｅｇｒｅｅ］を表しており、縦軸は信号のレベル［ｄＢ］を表している。このグラフに、端末装置における４個のアンテナ素子による受信信号を合成したパターン１０２１の一例を示してある。このパターン１０２１において、３個の異なる角度に実際の電波の方向１０２２−１〜１０２２−３に対応するピークが存在するが、他のピークはグレーティングローブであり実際の電波の方向ではない。このため、到来波推定の精度が劣化することが考えられる。
【００３３】
［本実施形態に係る到来波推定の処理］
本実施形態では、通信装置１として図２に示される４個のアンテナ素子１１１−１〜１１１−４を備える端末装置１０１が用いられる場合における到来波推定の処理について説明する。
本実施形態では、通信装置１のアレーアンテナ３１を構成する複数のアンテナ素子の配列（位置）が、あらかじめ、当該通信装置１（例えば、到来方向推定部５２など）により記憶されて把握されているとする。
【００３４】
図７は、端末装置における３次元座標系の一例を示す図である。
本実施形態では、端末装置１０１と、３次元の直交座標系であるｘｙｚ座標系の一例を示してある。このｘｙｚ座標系の原点は、例えば、端末装置１０１の所定の位置にあり、また、他の位置にあってもよい。ｘｙｚ座標系の原点は、端末装置１０１から他の装置をとらえるときにおける基準の位置となる。
【００３５】
図８は、本発明の一実施形態に係る座標系１の例を示す図である。座標系１は、３次元の直交座標系であるｘｙｚ座標系である。
端末装置１０１のアレーアンテナに対して、座標系１であるｘｙｚ座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）を設定する。
この座標系１において、ある点２００１−１を極座標（球面座標）で表す場合に、ｘｙ平面に点２００１−１を写像（射影）した点について、ｘｙ平面上での角度をφ１とする。本実施形態では、この角度φ１として、ｘｙ平面上におけるｘ軸からｙ軸への左回りの角度が用いられているが、他の角度（右回りの角度など）が用いられてもよい。
また、前記した点２００１−１を極座標で表す場合に、ｚｘ平面に点２００１−１を写像（射影）した点について、ｚｘ平面上での角度をθ１とする。本実施形態では、この角度θ１として、ｚｘ平面上におけるｚ軸からｘ軸への左回りの角度が用いられているが、他の角度（右回りの角度など）が用いられてもよい。
また、ｘｙｚ座標軸における原点と前記した点２００１−１との距離をｒとする。なお、本実施形態では、この距離ｒについては特に使用しない。
【００３６】
図９は、本発明の一実施形態に係る座標系２の例を示す図である。座標系２は、座標系１とは異なる座標系であり、３次元の直交座標系であるｘ’ｙ’ｚ’座標系である。座標系２は、座標系１の原点と同じ原点とし、座標系１のｙ軸をｚ’軸とし、座標系１のｚ軸をｙ’軸としたものである。
端末装置１０１のアレーアンテナに対して、座標系２であるｘ’ｙ’ｚ’座標系（ｘ’軸、ｙ’軸、ｚ’軸）を設定する。
この座標系２において、図８に示される点２００１−１と同じ点２００１−２を極座標で表す場合に、ｘ’ｙ’平面に点２００１−２を写像（射影）した点について、ｘ’ｙ’平面上での角度をφ２とする。本実施形態では、この角度φ２として、ｘ’ｙ’平面上におけるｘ’軸からｙ’軸への左回りの角度が用いられているが、他の角度（右回りの角度など）が用いられてもよい。
また、前記した点２００１−２を極座標で表す場合に、ｚ’ｘ’平面に点２００１−２を写像（射影）した点について、ｚ’ｘ’平面上での角度をθ２とする。本実施形態では、この角度θ２として、ｚ’ｘ’平面上におけるｚ’軸からｘ’軸への左回りの角度が用いられているが、他の角度（右回りの角度など）が用いられてもよい。
また、ｘ’ｙ’ｚ’座標軸における原点と前記した点２００１−２との距離をｒ（座標系１の場合と同じ値）とする。なお、本実施形態では、この距離ｒについては特に使用しない。
【００３７】
ここで、座標系１におけるφ１、θ１と座標系２におけるφ２、θ２とは、式（１）および式（２）の関係を有する。
【００３８】
【数１】
2015200520.tif 000003
【００３９】
【数２】
2015200520.tif 000004
【００４０】
図１０は、本発明の一実施形態に係る座標系３の例を示す図である。座標系３は、座標系１とは異なる座標系であり、３次元の直交座標系であるｘ’’ｙ’’ｚ’’座標系である。座標系３は、座標系１の原点と同じ原点とし、座標系１のｘ軸をｚ’’軸とし、座標系１のｚ軸をｘ’’軸としたものである。
端末装置１０１のアレーアンテナに対して、座標系３であるｘ’’ｙ’’ｚ’’座標系（ｘ’’軸、ｙ’’軸、ｚ’’軸）を設定する。
この座標系３において、図８に示される点２００１−１と同じ点２００１−３を極座標で表す場合に、ｘ’’ｙ’’平面に点２００１−３を写像（射影）した点について、ｘ’’ｙ’’平面上での角度をφ３とする。本実施形態では、この角度φ３として、ｘ’’ｙ’’平面上におけるｘ’’軸からｙ’’軸への左回りの角度が用いられているが、他の角度（右回りの角度など）が用いられてもよい。
また、前記した点２００１−３を極座標で表す場合に、ｚ’’ｘ’’平面に点２００１−３を写像（射影）した点について、ｚ’’ｘ’’平面上での角度をθ３とする。本実施形態では、この角度θ３として、ｚ’’ｘ’’平面上におけるｚ’’軸からｘ’’軸への左回りの角度が用いられているが、他の角度（右回りの角度など）が用いられてもよい。
また、ｘ’’ｙ’’ｚ’’座標軸における原点と前記した点２００１−３との距離をｒ（座標系１の場合と同じ値）とする。なお、本実施形態では、この距離ｒについては特に使用しない。
【００４１】
ここで、座標系１におけるφ１、θ１と座標系３におけるφ３、θ３とは、式（３）および式（４）の関係を有する。
【００４２】
【数３】
2015200520.tif 000005
【００４３】
【数４】
2015200520.tif 000006
【００４４】
ここで、上記の例では、図８に示される座標系１をもとにx軸を固定してy軸およびz軸を９０度回転した座標系が図９に示される座標系２となり、x軸とx’軸とが対応し、y軸とy’軸とが対応し、z軸とz’軸とが対応する。なお、この９０度回転の方向に応じて、y軸とy’軸またはz軸とz’軸のいずれかについて、軸の向き（正負の向き）が逆になる。
また、上記の例では、図８に示される座標系１をもとにy軸を固定してx軸およびz軸を９０度回転した座標系が図１０に示される座標系３となり、x軸とx’’軸とが対応し、y軸とy’’軸とが対応し、z軸とz’’軸とが対応する。なお、この９０度回転の方向に応じて、x軸とx’’軸またはz軸とz’’軸のいずれかについて、軸の向き（正負の向き）が逆になる。
このような上記の例とは異なる例として、座標系１の座標軸（x、y、z）について座標軸を交換して座標軸（y’、z’、x’）としたものを座標系２とし、さらに、座標軸を交換して座標軸（z’’、x’’、y’’）としたものを座標系３とすることも可能である。
なお、複数の座標系の変換は、上記のような回転または座標軸の順次交換以外の方法で行われてもよい。
【００４５】
本実施形態に係る通信装置１（端末装置１０１）では、座標系到来方向推定部７１は、複数の座標系１、２、３のうちのそれぞれの座標系を用いて、受信信号の到来方向を推定する。
到来方向合成部７２は、座標系到来方向推定部７１により得られたそれぞれの座標系ごとの到来方向推定の結果について所定の合成を行い、当該合成後の到来方向推定結果を取得する。
【００４６】
ここで、座標系到来方向推定部７１による到来方向の推定や、到来方向合成部７２による座標系ごとの到来方向推定の結果の合成は、２個以上の異なる座標系について行う。本実施形態では、これらは、３個の座標系１、２、３のうちの任意の２個の異なる座標系または３個（全部）の異なる座標系について行う。
また、所定の合成（座標系ごとの到来方向推定の結果の合成）としては、様々な合成の処理が用いられてもよく、例えば、加算する処理や、平均化する処理や、乗算する処理などが用いられてもよい。
【００４７】
また、到来方向推定のアルゴリズムとしては、様々なものが用いられてもよく、例えば、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ  ＳＩｇｎａｌ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法、ビームフォーマー（Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ）法、ＥＳＰＲＩＴ（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ  ｖｉａ  Ｒｏｒａｒｉｏｎａｌ  Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）法などが用いられてもよい。例えば、ＭＵＳＩＣ法やビームフォーマー法などのように、到来方向として、角度スペクトラムを求めるアルゴリズムが用いられる。
【００４８】
［本実施形態に係る到来波推定の処理の効果の具体例］
図１１〜図１４を参照して、本実施形態に係る到来波推定の処理の効果の具体例を示す。
図１１〜図１４の例では、到来波推定法のアルゴリズムとして、ＭＵＳＩＣ法のアルゴリズムが用いられている。
図１１は、本発明の一実施形態に係る座標系１での到来波推定結果の一例を示す図である。
図１２は、本発明の一実施形態に係る座標系２での到来波推定結果の一例を示す図である。
図１３は、本発明の一実施形態に係る座標系３での到来波推定結果の一例を示す図である。
図１４は、本発明の一実施形態に係るスペクトラム合成結果での到来波推定結果の一例を示す図である。
【００４９】
図１１〜図１４に示されるグラフでは、互いに直交する３つの軸について、第１の軸は角度φ［ｄｅｇｒｅｅ］を表わしており、第２の軸は角度θ［ｄｅｇｒｅｅ］を表わしており、第３の軸はパワー（Ｐｏｗｅｒ）［ｄＢ］を表わしている。
ここで、本実施形態では、座標系１での到来波推定結果は角度φ１および角度θ１を用いて得られ、座標系２での到来波推定結果は角度φ２および角度θ２を用いて得られ、座標系３での到来波推定結果は角度φ３および角度θ３を用いて得られる。そして、それぞれの座標系１、２、３での到来波推定結果を、共通の所定の座標系における角度φおよび角度θを用いた場合の到来波推定結果へ変換したものを、図１１〜図１３に示してある。共通の所定の座標系としては、例えば、座標系１（この場合、角度φ＝φ１、角度θ＝θ１）、または、座標系２（この場合、角度φ＝φ２、角度θ＝θ２）、または、座標系３（この場合、角度φ＝φ３、角度θ＝θ３）が用いられてもよく、または、他の座標系が用いられてもよい。
【００５０】
図１４に示されるスペクトラム合成結果は、図１１〜図１３に示されるそれぞれの座標系１、２、３ごとの到来方向推定結果のスペクトラムを合成した結果の一例である。図１４の例では、この合成として、加算が用いられている。また、図１４の例では、図１１〜図１３の例と同じ座標系（角度φおよび角度θ）が用いられている。
つまり、複数の異なる座標系のそれぞれで得られる到来方向推定結果は、それぞれ異なる角度（例えば、角度φ１〜φ３や角度θ１〜θ３）を用いて得られるが、これらを合成するために、共通の同じ座標系（例えば、角度φや角度θ）のスペクトラムへ変換してから合成している。
【００５１】
図１１〜図１３に示されるグラフにおけるパワーは、到来方向推定法の一例であるＭＵＳＩＣ法により得られた到来方向推定結果のスペクトラムであり、到来方向の評価関数の値（レベル）に相当する。
座標系１を用いた場合には、到来方向推定法（本例では、ＭＵＳＩＣ法）のアルゴリズムにおいて角度φ１および角度θ１が演算のパラメータとして使用される。同様に、座標系２を用いた場合には、到来方向推定法（本例では、ＭＵＳＩＣ法）のアルゴリズムにおいて角度φ２および角度θ２が演算のパラメータとして使用される。同様に、座標系３を用いた場合には、到来方向推定法（本例では、ＭＵＳＩＣ法）のアルゴリズムにおいて角度φ３および角度θ３が演算のパラメータとして使用される。なお、本例では、距離ｒについては使用されない。
【００５２】
到来方向推定法（本例では、ＭＵＳＩＣ法）のアルゴリズムにおいて、座標系を異なる座標系１、２、３とすると、実際のビーム（電波）の到来方向の推定結果（角度）については、共通の座標軸で考えた場合に、変化せずに同じ角度となる。一方、到来方向推定法（本例では、ＭＵＳＩＣ法）のアルゴリズムにおいて、座標系を異なる座標系１、２、３とすると、実際のビーム（電波）ではなく演算上で発生してしまうグレーティングローブについては、共通の座標軸で考えた場合に、グレーティングローブが発生する角度が変化する。このため、複数の異なる座標系１、２、３ごとの到来方向推定結果のスペクトラムを合成（例えば、加算や平均化など）すると、実際のビームの到来方向の推定結果については比較的大きいレベルで残る一方、グレーティングローブについては低減される。
【００５３】
このように、到来方向推定法（本例では、ＭＵＳＩＣ法）のアルゴリズムでは、実際に電波が到来している方向に関しては、いずれの座標系１、２、３で計算してもピークが生じる一方、アンテナ素子の素子間隔が大きい（例えば、波長に比べて大きい）ために生じるグレーティングローブは、座標系１、２、３によって生じる角度が異なるため、異なる座標系１、２、３で計算した到来方向推定結果を合成（例えば、加算や平均化など）することで、グレーティングローブのレベルを結果的に小さくすることができる。
【００５４】
［第１実施形態のまとめ］
以上のように、本実施形態に係る通信装置１や到来方向推定部５２では、同一のアレーアンテナ（同一のアンテナ素子の配列）について、Ｋ（Ｋは２以上の任意の整数）個の種類の座標系のそれぞれごとに求めた到来方向推定結果を合成することで、到来方向推定の精度を高めることができる。
例えば、２次元の到来方向推定において、極（例えば、θ＝９０度）の付近では極端に到来方向推定の精度が劣化するが、本実施形態では、座標系を変換して到来方向推定結果を合成することで、座標系を変換せずに単純に到来方向推結果を加算や平均化などする場合と比べて、到来方向推定の精度を改善することができる。
【００５５】
本実施形態に係る通信装置１や到来方向推定部５２では、例えば、１次元、２次元、または３次元の配列のアレーアンテナを用いた到来方向推定のアルゴリズムにおいて、アレー配列の座標系（座標軸）を変換して、到来方向を推定する。本実施形態に係る通信装置１や到来方向推定部５２では、例えば、座標系（座標軸）を入れ替えて行った２種類以上の到来方向推定結果の合成（加算や平均化など）により、到来方向を推定する。
【００５６】
したがって、本実施形態に係る通信装置１や到来方向推定部５２では、例えば、アレーアンテナにおけるアンテナ素子の素子間隔が大きく、グレーティングローブが発生して到来方向推定の精度が劣化するような場合においても、到来方向推定結果に発生するグレーティングローブを抑圧して、到来方向推定の精度を向上させることができる。
このように、本実施形態に係る通信装置１や到来方向推定部５２では、到来方向推定の精度を高めることができる。例えば、アレーアンテナの放射パターンや素子間隔が揃えられない状況では、グレーティングローブの発生を抑制する自由度が少ない場合も多いが、このような場合においても、到来方向推定の精度を高めることができる。
【００５７】
ここで、通信装置１や到来方向推定部５２では、複数の異なる座標系において到来方向推定を行うことから、受信に使用するアレーアンテナとしては、例えば、１次元配列のアレーアンテナ（線形アレーアンテナ）、２次元配列のアレーアンテナ（平面アレーアンテナ）、３次元配列のアレーアンテナ（立体アレーアンテナ）のうちで、より高次の方が好ましいと考えられる。
また、座標系としては、様々な座標系が用いられてもよく、例えば、３次元の座標系が用いられる。
また、座標系としては、本実施形態では、直交座標系が用いられるが、他の構成例として、直交座標系以外の座標系が用いられてもよい。
【００５８】
また、通信装置１や到来方向推定部５２では、複数の異なる座標系のそれぞれにおける到来方向推定のアルゴリズムの処理で使用する受信信号のデータ（例えば、測定されたデータ）としては、例えば、複数の異なる座標系について、同じ受信信号のデータが用いられてもよく、または、ある座標系と他の座標系とで、異なる受信信号のデータが用いられてもよい。一例として、このような異なる受信信号のデータとして、所定の時間だけ異なる時刻における受信信号のデータが用いられてもよく、具体的には、ある座標系で用いられる受信信号のデータの測定時刻に対して所定の時間だけ後の測定時刻における受信信号のデータが他の座標系で用いられてもよい。
【００５９】
また、通信装置１や到来方向推定部５２では、例えば、複数の異なる座標系のそれぞれにおいて到来方向推定を行うために使用するアルゴリズムとしては、様々なアルゴリズムが使用されてもよく、複数の異なる座標系について、同一のアルゴリズムが使用されてもよく、または、ある座標系と他の座標系とで、異なるアルゴリズムが使用されてもよい。
【００６０】
また、通信装置１や到来方向推定部５２では、例えば、アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の配列としては、等間隔の配列が用いられてもよく、または、不等間隔の配列が用いられてもよい。
また、通信装置１や到来方向推定部５２では、例えば、アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子としては、同じ（形状等の特性が同じ）アンテナ素子が用いられてもよく、または、異なる（形状等の特性が異なる）アンテナ素子が含まれてもよい。
【００６１】
なお、本実施形態では、複数の異なる座標系における到来方向推定結果を合成する構成が用いられるが、別の構成例として、同一の座標系について複数回求めた到来方向推定結果を合成（加算や平均化など）する構成では、例えば、同一の座標系について１回求めた到来方向推定結果と比べて、合成（加算や平均化など）により精度の向上を図ることが可能である。同一の座標系について到来方向推定を複数回行う構成としては、例えば、複数回のそれぞれにおいて、時間方向に異なるサンプル（つまり、時刻がずれた受信信号のデータ）を用いて到来方向推定を行う構成が用いられてもよい。
【００６２】
また、本実施形態では、アレーアンテナの配置などに起因して到来方向推定結果にグレーティングローブが発生する構成について説明したが、他の構成例として、本実施形態に係る通信装置１や到来方向推定部５２と同様な構成が、到来方向推定結果にグレーティングローブが発生しない構成に適用されてもよい。
また、本実施形態では、主に、通信装置１が端末装置１０１に適用された場合について説明したが、他の構成例として、通信装置１が他の装置（例えば、基地局装置など）に適用されてもよい。
【００６３】
本実施形態では、到来方向推定部５２の機能および通信の機能などを有する通信装置１が示されたが、他の構成例として、通信の機能を有しておらず、到来方向推定部５２の機能を有する装置（到来方向推定装置）が実施されてもよい。
【００６４】
（第２実施形態）
第１実施形態では、アレーセンサの一例として、アレーアンテナが用いられる場合が示されたが、他の様々なアレーセンサが用いられてもよい。
ここで、アレーセンサは、複数のセンサ（第１実施形態では、アンテナ素子）がアレー状に配列されたものである。
アレーアンテナ以外のアレーセンサとしては、例えば、音波を受信（検出）するセンサが複数アレー状に配列されたものが用いられてもよい。第１実施形態に係るアンテナ素子では、電波を受信（検出）するのに対して、音波を検出するセンサでは、音波を受信（検出）する。
このように、複数の異なる座標系における到来方向推定の結果を合成する構成は、様々なアレーセンサを備えるシステム（アレーセンサシステム）に適用されてもよい。これにより、到来方向推定の精度を高めることができる。例えば、アレーセンサの放射パターンや素子間隔が揃えられない状況では、グレーティングローブの発生を抑制する自由度が少ない場合も多いが、このような場合においても、到来方向推定の精度を高めることができる。
【００６５】
［以上の実施形態に係る構成例］
一構成例として、複数のセンサ（図１の例では、アンテナ素子）を有するアレーセンサ（図１の例では、アレーアンテナ３１）による信号（図１の例では、電波の信号）の検出結果に基づいて、複数の異なる座標系（図１の例では、座標系１、２、３）のそれぞれごとに到来方向推定法（図１の例では、例えば、ＭＵＳＩＣ法）により前記信号の到来方向推定の結果を算出する座標系到来方向推定部（図１の例では、座標系到来方向推定部７１）と、前記座標系到来方向推定部により算出された到来方向推定の結果を合成（図１の例では、加算や平均化など）する到来方向合成部（図１の例では、到来方向合成部７２）と、を備える到来方向推定装置（図１の例では、到来方向推定部５２に相当する装置）である。
【００６６】
一構成例として、到来方向推定装置において、前記到来方向合成部は、共通の座標系（図１の例では、例えば、座標系１、２、３のうちのいずれかの座標系、または、他の座標系）で、前記座標系到来方向推定部により算出された到来方向推定の結果を合成する。
一構成例として、到来方向推定装置において、前記座標系到来方向推定部は、前記複数の異なる座標系について、同じ到来方向推定法のアルゴリズムを使用する。
一構成例として、前記座標系到来方向推定部は、前記複数の異なる座標系について、少なくとも２個の異なる座標系で使用する到来方向推定法のアルゴリズムが異なる。
一構成例として、到来方向推定装置において、前記座標系到来方向推定部は、前記複数の異なる座標系について、前記アレーセンサによる信号の検出結果として、同じ信号の検出結果を用いる、または、所定の時間ずれた信号の検出結果を用いる。
一構成例として、到来方向推定装置において、前記センサの構成としてアンテナ素子を含み、前記信号は電波によって搬送される（例えば、第１実施形態の例）。
一構成例として、到来方向推定装置において、前記センサは、音波を検出するセンサであり、前記信号は、音波により伝達される信号である（例えば、第２実施形態の例）。
【００６７】
一構成例として、座標系到来方向推定部が、複数のセンサを有するアレーセンサによる信号の検出結果に基づいて、複数の異なる座標系のそれぞれごとに到来方向推定法により前記信号の到来方向推定の結果を算出し、到来方向合成部が、前記座標系到来方向推定部により算出された到来方向推定の結果を合成する、到来方向推定方法（図１の例では、到来方向推定部５２に相当する装置において行われる到来方向推定の方法）である。
一構成例として、複数のセンサを有するアレーセンサによる信号の検出結果に基づいて、複数の異なる座標系のそれぞれごとに到来方向推定法により前記信号の到来方向推定の結果を算出するステップと、前記算出された到来方向推定の結果を合成するステップと、をコンピュータに実行させるためのプログラム（図１の例では、到来方向推定部５２に相当する装置において実行される到来方向推定のプログラム）である。
【００６８】
［以上の実施形態のまとめ］
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００６９】
また、以上に示した実施形態に係る各装置（例えば、通信制御部５１に相当する装置や、到来方向推定部５２に相当する装置など）の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、処理を行ってもよい。
【００７０】
なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、オペレーティング・システム（ＯＳ：Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）や周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
【００７１】
さらに、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記のプログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記のプログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、上記のプログラムは、前述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１…通信装置、１１…アンテナ部、１２…入力部、１３…出力部、１４…記憶部、１５…制御部、３１…アレーアンテナ、５１…通信制御部、５２…到来方向推定部、７１…座標系到来方向推定部、７２…到来方向合成部、１０１〜１０２、２０２…端末装置、１１１−１〜１１１−４、１１２−１〜１１２−４、２１１−１〜２１１−３…アンテナ素子、１５１〜１５２、２５１〜２５３…電波、２０１…基地局装置、２３１…建物、１００１、１０１１、１０２１…パターン、１０１２…ヌル、１０２２−１〜１０２２−３…実際の電波の方向、２００１−１〜２００１−３…点
【図１】
2015200520.tif 000007
【図２】
2015200520.tif 000008
【図３】
2015200520.tif 000009
【図６】
2015200520.tif 000010
【図７】
2015200520.tif 000011
【図８】
2015200520.tif 000012
【図９】
2015200520.tif 000013
【図１０】
2015200520.tif 000014
【図４】
2015200520.tif 000015
【図５】
2015200520.tif 000016
【図１１】
2015200520.tif 000017
【図１２】
2015200520.tif 000018
【図１３】
2015200520.tif 000019
【図１４】
2015200520.tif 000020