(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
４つのアンテナ素子を具備した第一の無線装置を有し、２つのアンテナ素子を具備した第二の無線装置と屋内通信を行うマルチアンテナ装置であって、
４つのアンテナ素子各々についての信号品質に基づいて、前記第二の無線装置との屋内通信に使用する２つのアンテナ素子が選択され、
前記４つのアンテナ素子がＡ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4でそれぞれ指定され、ある隣接するアンテナ素子Ａｌ，Ａｌ＋１（ただし１≦ｌ＜４）の水平面での放射電力が各々最大となる方向のなす角を∠ＡｌＡｌ＋１とする場合に、
∠ＡｉＡｉ＋１は６０度であり、∠ＡｊＡｊ＋１は１２０度であり（ただし１≦ｉ＜４，１≦ｊ＜４，ｉ≠ｊ）、複数のアンテナ素子各自の水平面内放射指向性の半値角は、すべて９０度である又はすべて１２０度である、
ことを特徴とするマルチアンテナ装置。
【請求項２】
４つのアンテナ素子の水平面内の最大放射方向が、屋内の壁に対して垂直でないこと或いは部屋の角以外に向いている
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチアンテナ装置。
【請求項３】
１以上のアンテナ素子各々の指向性を調整するビームコントローラを更に有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はMIMO(Multi  Input  Multi  Output)方式の通信システムに使用されるマルチアンテナ装置に関連する。
【背景技術】
【０００２】
MIMO方式は、送信及び受信にそれぞれ複数のアンテナを使用し、アンテナ毎に独立に信号を送受信することで伝送容量又は信頼度を向上させることができる。一般に前者はMIMO多重方式と呼ばれ、後者はMIMOダイバーシチ方式と呼ばれる。従来のマルチアンテナによるMIMO通信方式としては、例えば特許文献１に記載されている。この従来の技術は、マルチアンテナを用いてアレー（あるいはサブアレー）を構成し、環境に対して適応的にアレーの指向性を形成する。
【０００３】
一方、MIMOシステムにおいて送信アンテナに指向性アンテナを持たせることで、各ストリーム間の空間相関を低減し、伝送特性を向上させる技術が、非特許文献１に記載されている。この技術では４方向指向性切り替えアンテナを送信アンテナとして２×２のMIMO方式の通信が行われている。アンテナ素子単体の指向性がオムニ指向性である場合と、より鋭い指向性を有する場合との比較を行い、半値角１２０度のときに、チャネル容量及びBER特性が改善されることが示されている。
【０００４】
また、MIMO方式ではないが、屋内無線通信におけるマルチパスフェージングの問題を除去するために、アンテナの指向方向を部屋の対角線からずらす方法もある（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００５−１３６４９２号公報
【特許文献２】特開平８−８４３６７号公報
【非特許文献１】伊藤直人、新井宏之、「送信アンテナ指向性を考慮したMIMO伝送特性に関する研究」、2005電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、B-1-218
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明が解決しようとする課題を説明するため、まず、非特許文献１に示されるような送信アンテナモデルが使用される。
【０００６】
図１は、そのような送信アンテナモデルの一例を示す。図示の例では、４つのアンテナ素子を有するマルチアンテナ装置が用意され、このマルチアンテナ装置は不図示の端末と通信を行う。端末は移動局でも固定端末でもよい。各アンテナ素子は特定の方向に強い電力密度を示す放射指向性を有し、基地局周囲の領域に４つのビームが均等に向けられている。４つのビーム各自の指向性の半値角（半値幅又はビーム幅）はそれぞれ等しい。即ち、この送信アンテナモデルでは全素子が均一であり、等分割された指向方向を有する。図示の例では、４つの素子が全て均一に半値角θHを有し、それぞれ水平方向に対して等分割となるように、指向方向は互に９０度ずつ異なる。
【０００７】
図１のアンテナを用いた場合の特性を求めるため、レイトレーシングを用いたシミュレーションが本発明者等により行われた。図２は、図１に示されるアンテナ装置が縦６ｍ、横１０ｍ及び高さ３ｍの室内に設置された様子を示す。アンテナ装置には４つの均一なアンテナ素子が設けられ、各アンテナ素子は均等に分割された指向方向を有する（等分割指向性を有する。）。このアンテナ装置は、部屋の中央に設置されている。部屋の高さは３ｍであるが、アンテナの設置高さは２．７ｍとした。
【０００８】
図３はシミュレーションの諸元を示す。通信方式はMIMO-SDM(Space  Division  Multiplexing)である。アンテナ装置の４つのアンテナ素子から、BER特性が最適となるように、２つが選択され、移動局（受信端末）と２×２のMIMO方式の通信が行われるものとする。搬送周波数は５ＧＨzであり、変調方式は１６QAMであり、同期・チャネル推定は８次M系列50[symbol/ch]であり、雑音電力は-85dBmであり、受信処理はチャネル推定及びゼロフォーシングにより行われ、電波の反射回数は５回であることが仮定されている。
【０００９】
図４は、シミュレーションによって得られた平均誤り率の累積確率を示す。図中、横軸は平均誤り率(BER)を表し、縦軸は累積確率を表す。シミュレーションでは、ビームの指向性のパラメータの１つである半値幅θHが３０度から１８０度まで変えられ（より具体的には、θH＝３０°，６０°，９０°，１２０°，１８０°）、比較のためオムニ指向性の場合の数値もプロットされている。シミュレーションでは屋内空間中の任意の場所又は座標が乱数に基づいて特定され、その場所に移動局が仮に存在した場合の平均誤り率が算出され、屋内空間中の多数の場所についてそのようなBERが算出され、図示のようなグラフが得られた。いずれの場合も、BER特性はオムニ指向性の場合より良いことがわかる。特にBERが10の-3乗の場合には、半値幅θHは１２０度のときに最良になり、累積確率は４５％程度になることが分かる。平均誤り率が10の−４乗のときには累積確率は２５％程度になることが分かる。しかしながらこの程度のBER特性は高速大容量の通信が期待される将来の通信システムでは充分ではなく、更に改善されることを要する。
【００１０】
図５はチャネル容量又は伝送容量の累積確率のシミュレーション結果を示す。伝送容量の累積確率を示す図４の場合と同様にシミュレーションではビームの指向性の半値幅θHが３０度から１８０度まで変化させられ、オムニ指向性の場合のグラフもプロットされている。図示されているように適切な半値幅θHを用意することで、指向性アンテナはオムニ指向性の場合に比べて、容量を増やすことができる。図示の例では半値幅が１２０度のときに最も容量が増えることが分かる。
【００１１】
本発明の課題は、MIMO方式の通信システムにおける場所率をさらに向上させるマルチ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】
【００１２】
本発明では、Ｍ個（ただしＭは複数）のアンテナ素子を具備した第一の無線装置を有し、Ｎ個（ただしＮは１または複数）のアンテナ素子を具備した第二の無線装置と通信を行うマルチアンテナ装置が使用される。Ｍ個のアンテナ素子の各々の水平面内放射指向性の半値幅のうち、少なくとも１つは他と異なる。或いは、Ｍ個のアンテナ素子がＡ１，Ａ２，．．．，ＡＭでそれぞれ指定され、ある隣接するアンテナ素子Ａl，Ａl＋１（ただし１≦ｌ＜Ｍ）の水平面での放射電力が各々最大となる方向のなす角を∠ＡlＡl＋１とする場合に、  ∠ＡｉＡｉ＋１と∠ＡｊＡｊ＋１（ただし１≦ｉ＜Ｍ，１≦ｊ＜Ｍ，ｉ≠ｊ）の角度が異なる組み合わせが少なくとも１つ存在する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、MIMO方式の通信システムにおける場所率をさらに向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の一形態では、マルチアンテナ装置は、Ｍ個（ただしＭは複数）のアンテナ素子を具備した第一の無線装置を有し、Ｎ個（ただしＮは１または複数）のアンテナ素子を具備した第二の無線装置と通信を行う。複数のアンテナ素子の内の各々は単一指向性のような所定の指向性を有する。個々の端末との通信に実際に使用されるアンテナ素子がどれであるかは、ＢＥＲ特性、容量又は固有値等の何らかの基準に基づいて通信中に適宜決定される。これにより、端末の通信状況に相応しいSDM-MIMO方式の通信を行うことができる。Ｍ個のアンテナ素子の各々の水平面内放射指向性の半値幅のうち、少なくとも１つは他と異なるようにアンテナ素子の指向性が用意される。従来技術では指向性アンテナは各素子とも同じ半値幅を有することが仮定されていたが、この形態では非均一な半値幅が用意される。個々のアンテナ素子のビームパターンは単一指向性を示してもよいし、複数のメインローブを有する指向性を示してもよい。
【００１５】
本発明の一形態では、Ｍ個のアンテナ素子がＡ１，Ａ２，．．．，ＡＭでそれぞれ指定される場合に、ある隣接するアンテナ素子Ａｌ，Ａｌ＋１（ただし１≦ｌ＜Ｍ）の水平面での放射電力が各々最大となる方向のなす角を∠ＡｌＡｌ＋１とするとき、∠ＡｉＡｉ＋１と∠ＡｊＡｊ＋１（ただし１≦ｉ＜Ｍ，１≦ｊ＜Ｍ，ｉ≠ｊ）の角度が異なる組み合わせが少なくとも１つ存在する。
【００１６】
また従来技術では４つのアンテナ各自のビームの指向方向はそれぞれ９０度ずつ異なり、各アンテナの最大方向は長方形の部屋の壁に沿うように設置され、電波の反射が抑制されるように工夫されていた。しかしながら本発明の一形態ではビームの指向方向が敢えて壁に向けられ、電波が反射するように指向性が調整される。
【００１７】
本発明によれば、マルチアンテナ装置周辺の空間を複数の指向性ビームで不均一にカバーすることで、空間の多様性を拡張し（マルチパスリッチになり）、チャネル容量を大きく維持しつつ平均誤り率を小さくし、場所率を向上させることができる。
【００１８】
なお、以下に説明される実施例では基地局と端末の間で２×２のＭＩＭＯ方式の通信が行われることが想定されている。しかしながら、本発明者等の研究結果によれば、基地局の１つのアンテナ素子と移動局の２つのアンテナ素子を用いる１×２のＳＩＭＯ方式の通信が行われる場合にも平均誤り率等の特性について改善効果が確認されている。従って本発明は第一の無線装置に接続されたＭ個のアンテナ素子からK1個（ただし２≦K1≦Ｍ）を選択し、第二の無線装置に接続されたＮ個のアンテナ素子からK2個（ただし１≦K2≦Ｎ）を選択し、K1×K2の空間分割多重伝送方式を行う場合に広く適用できる。
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例が詳細に説明される。
【実施例１】
【００２０】
図６Ａは本発明の第一の実施例によるマルチアンテナ装置の指向パターンを示す。マルチアンテナ装置は例えば天井の中央に設けられている。図６Ｂはマルチアンテナ装置の機能ブロック図を示す。マルチアンテナ装置はＭ本のアンテナ素子１１−１〜Ｍ、アンテナ素子セレクタ１２、ビームコントローラ１３及びＭＩＭＯ送信機／受信機１４を有する。マルチアンテナ装置は典型的には屋内通信システムの無線基地局として使用される。アンテナ素子セレクタ１２は、Ｍ個のアンテナ素子各々についての信号品質（本実施例では、ビットエラーレート(BER)で測定される）を調べ、個々の移動局との通信に相応しい複数のアンテナ素子がどれであるかを決定する。ビームコントローラは各アンテナ素子から放出されるビームの指向性を制御する。指向性のパターンは図６Ｃに示されるように指向方向と半値幅（又は半値角）で特徴付けられる。指向方向又は主ビーム方向はメインローブの向く方向である。半値幅又は半値角は、最大電力値から３ｄＢ劣化した電力値までを見込む角度（アンテナ素子側から見た角度）である。一般に指向性には水平面内指向性に加えて垂直面内指向性もあるが、本実施例では水平面内指向性が主に取り扱われる。別の実施例では水平及び垂直面内指向性が使用されてもよい。説明の便宜上本実施例ではビームコントローラで個々のアンテナ素子の指向性が適宜調整可能であるが、アンテナ素子の指向性が可変であることは本発明に必須ではない。可変でない所定の指向性を有するアンテナ素子が使用されてもよい。いずれにせよ、所定の指向性を有するアンテナ素子がマルチアンテナ装置に用意できればよい。このことは本実施例だけでなく他の実施例についても成り立つ。ＭＩＭＯ送信機／受信機１４はＭＩＭＯ方式で信号を送信及び受信するための信号処理を行う。
【００２１】
本実施例では４つのアンテナ素子が略正方形状に並べられ、各アンテナ素子はオムニ指向性よりも絞り込まれた指向性パターンを有する。図６Ａに示されているように本実施例では、従来とは異なり、２種類の半値幅θH1及びθH2が用意され、半値幅θH1のビームと半値幅θH2のビームが交互に並べられている。但し、４つのビームの指向方向は従来と同様に９０度ずつ離れている。
【００２２】
本実施例の効果を見るため、BER特性及び容量についてシミュレーションが行われた。シミュレーションでは、図６Ａのアンテナが、図２の従来の技術と同様に、縦６ｍ、横10ｍ、高さ３ｍの部屋の天井の中央（高さ2.7ｍ）に設置されている。また、シミュレーションにはレイトレースが使用され、図３に示される諸元も同様に使用された。すなわち、送信アンテナに設置した４つのアンテナ素子の内、BER特性の高い２つのアンテナ素子が選択され、その２つのアンテナ素子と移動局側の２つのアンテナ素子とで２×２のSDM-MIMO方式の通信が行われるものとする。
【００２３】
図７は本発明の第一の実施例に関するシミュレーション結果を示す。図中横軸は平均誤り率BERを示し、縦軸は累積確率を示す。個々のグラフは、様々な半値角の組み合わせについて得られたものを示す。半値角の組み合わせは、（θ１H，θ２H）＝（60°，120°），（60°，180°），（90°，120°），（90°，180°）である。比較のため、アンテナ素子がオムニ指向性（無指向性）である場合と、半値角が全て均等に１２０度のときに得られたグラフ（図４で最良のグラフ）も示されている。図７に示されているように、（θ１H，θ２H）＝（60°，120°）又は（90°，120°）の場合に、場所率が従来技術に比べて大きく改善されていることがわかる。特に、（θ１H，θ２H）＝（60°，120°）とした場合に、10の-４乗以上の平均誤り率が確保される累積確率は50％となり、従来の均一指向性を用いたときと比べて２倍以上の改善効果が確認できる。
【００２４】
図８も本発明の第一の実施例に関するシミュレーション結果を示す。図中横軸はチャネル容量を示し、縦軸は累積確率を示す。個々のグラフは、様々な半値角の組み合わせについて得られたものを示す。半値角の組み合わせは、（θ１H，θ２H）＝（60°，120°），（60°，180°），（90°，120°），（90°，180°）である。比較のため、アンテナ素子がオムニ指向性（無指向性）である場合と、半値角が全て均等に１２０度のときに得られたグラフ（図５で最良のグラフ）も示されている。図７で良好な値を示していた（60°，120°）及び（90°，120°）の組み合わせについてのチャネル容量は、従来の最良値と同等以上の容量になっていることが分かる。上記の実施例では２種類の半値角θHが用意されていたが、２より多くの半値角（θ1H，θ2H，θ3H，...）が用意されてもよい。また、アンテナ素子総数は４より多くてよいし、個々の移動局との通信に使用されるアンテナ数も２より多くてもよい。いずれにせよ、本発明の第一の実施例によれば、不均一指向性を用いることにより、均一指向性を用いた場合の最高容量を確保しつつ、信号品質を大きく改善できる。
【実施例２】
【００２５】
図９は本発明の第二の実施例によるマルチアンテナ装置の指向パターンを示す。本実施例では、各ビームの半値幅θHは４つの素子の中で一定に維持されるが、指向方向が不均等に設定される。図示の例では、４つのビームの内どの２つの隣り合う指向方向も、互に９０度ではなく、60°又は120°をなすようにビーム方向が設定される。
【００２６】
図１０は本実施例に関するシミュレーション結果を示す。図７と同様に、横軸は平均誤り率BERを示し、縦軸は累積確率を示す。個々のグラフは、様々な半値角について得られたものを示す。半値角は、θH＝30°，60°，90°，120°，180°である。比較のため、アンテナ素子がオムニ指向性（無指向性）である場合と、半値角が全て均等に１２０度のときに得られたグラフ（図４で最良のグラフ）も示されている。図１０に示されているように、半値角が90°又は120°の場合に、場所率が従来技術に比べて大きく改善されていることがわかる。
【００２７】
図１１も本発明の第二の実施例に関するシミュレーション結果を示す。図中横軸は容量を示し、縦軸は累積確率を示す。図８と同様に、横軸は平均誤り率BERを示し、縦軸は累積確率を示す。個々のグラフは、様々な半値角について得られたものを示す。半値角は、θH＝30°，60°，90°，120°，180°である。比較のため、アンテナ素子がオムニ指向性（無指向性）である場合と、半値角が全て均等に１２０度のときに得られたグラフ（図５で最良のグラフ）も示されている。図１１によれば、半値角が120°又は90度のときのチャネル容量が高く、特に半値角が120°のときのチャネル容量は、従来の等分割指向性の最良の値とほぼ一致していることがわかる。上記の実施例では指向方向の間隔が60°又は120°の２種類の半値角θHが用意されていたが、２より多くの種類の間隔（角度差）が用意されてもよい。また、アンテナ素子総数は４より多くてよいし、個々の移動局との通信に使用されるアンテナ数も２より多くてもよい。いずれにせよ、本発明の第二の実施例によれば、不等分割指向性を用いることにより、従来の当分割指向性の場合と同程度の容量を確保しつつ、信号品質を大きく改善できる。
【実施例３】
【００２８】
図１２は本発明の第三の実施例によるマルチアンテナ装置の指向パターンを示す。本実施例では、第一の実施例でBER特性及びチャネル容量がともに優れていた半値幅の組み合わせ（60°，120°）が使用されている。マルチアンテナ装置は天井の中央ではなく、天井の壁際（端）に設置されている。更に４つのビームの指向方向は壁に対して角度αだけ回転させられる。このときの平均誤り率及びチャネル容量の特性について、第１及び第２実施例と同様にシミュレーションが行われた。
【００２９】
図１３は平均誤り率及び累積確率に関するシミュレーション結果を示す。図中の個々のグラフは、傾斜角又は回転角αを表すパラメータが、０°，４５°，９０°，１３５°である場合のグラフである。比較のためビームの指向性がオムニ指向性であった場合のグラフも示されている。図１３に示されているように、α＝45°および135°だけ傾けたときの平均誤り率は、傾けない場合α＝０と比較して改善されることがわかる。
【００３０】
図１４にチャネル容量及び累積確率に関するシミュレーション結果を示す。図中の個々のグラフは、傾斜角又は回転角αを表すパラメータが、０°，４５°，９０°，１３５°である場合のグラフである。比較のためビームの指向性がオムニ指向性であった場合のグラフも示されている。図１３の平均誤り率の改善効果に比べるとαによる差は少ないが、αを45°または135°とした場合の方がαを0°とした場合に比べてチャネル容量がやや高くなっていることがわかる。非均一指向性を有するマルチアンテナを部屋の端に設置し、それを角度αだけ回転させることにより、チャネル容量を高く維持しつつBER特性を改善できることが分かる。
【実施例４】
【００３１】
図１５は本発明の第四の実施例によるマルチアンテナ装置の指向性パターンを示す。本発実施例によるマルチアンテナ装置は、図９の例と同様であるが、壁とビームの指向方向との位置関係又は向きが異なる。図示の例では、４つのビームの内どの２つの隣り合う指向方向も、互に９０度ではなく、120°又は60°をなすようにビーム方向が設定される。
このときの平均誤り率特性のシミュレーション結果が図１６に示される。図示されるように半値幅が３０°のとき、従来の等分割のときの平均誤り率に比べて高い改善効果が示されることが分かる。
【００３２】
以上に説明された各実施例は単独に使用されてもよいし、1以上の実施例記載の技術が組み合わせられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来のマルチアンテナ装置を示す図である。
【図２】図１のマルチアンテナ装置が屋内通信システムに使用されている様子を示す図である。
【図３】シミュレーションで使用されたパラメータの諸元を示す図である。
【図４】従来のマルチアンテナ装置を使用した場合における平均誤り率及び累積確率のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】従来のマルチアンテナ装置を使用した場合におけるチャネル容量及び累積確率のシミュレーション結果を示す図である。
【図６Ａ】本発明の一実施例によるマルチアンテナ装置が屋内通信システムに使用されている様子を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施例によるマルチアンテナ装置の概略ブロック図を示す図である。
【図６Ｃ】半値角及び指向方向の関係を示す図である。
【図７】図６Ａに示されるマルチアンテナ装置を使用した場合における平均誤り率及び累積確率のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】図６Ａに示されるマルチアンテナ装置を使用した場合におけるチャネル容量及び累積確率のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】本発明の一実施例によるマルチアンテナ装置が屋内通信システムに使用されている様子を示す図である。
【図１０】図９に示されるマルチアンテナ装置を使用した場合における平均誤り率及び累積確率のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】図９に示されるマルチアンテナ装置を使用した場合におけるチャネル容量及び累積確率のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】本発明の一実施例によるマルチアンテナ装置が屋内通信システムに使用されている様子を示す図である。
【図１３】図１２に示されるマルチアンテナ装置を使用した場合における平均誤り率及び累積確率のシミュレーション結果を示す図である。
【図１４】図１２に示されるマルチアンテナ装置を使用した場合におけるチャネル容量及び累積確率のシミュレーション結果を示す図である。
【図１５】本発明の一実施例によるマルチアンテナ装置が屋内通信システムに使用されている様子を示す図である。
【図１６】図１５に示されるマルチアンテナ装置を使用した場合における平均誤り率及び累積確率のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１  アンテナ素子
１２  アンテナ素子セレクタ
１３  ビームコントローラ
１４  ＭＩＭＯ送信機／受信機
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0004435740.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0004435740.tif 000018
【図１６】
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