電子情報通信学会誌 Vol．78No．9l）p．899−906】995年9月 899

TEC〃ⅣJC月L
SU斤作γ

通信用ディジタルビーム
フォーミンクアンテナ
見えてきたインテリジェントアンテナとしての将来

解 説

唐沢 好男 猪股 英行

唐沢好男，猪股典寺J二：正員（株）エイ・テイ・

アール光電波通信研究所

DlgitalBeamforlnillgAnteilnaSlnCommunlCationSystems：AsarlIntelligentAntenllaintheFuture．
ByYosh10KARAS＾WA，an（1HldeytlklTNOMATA，Members（ATROpticalandRad10Con1111unica
tlOnSRcscarch LaboratorleS，Kyotofu，61902Japan）．

几lば 11【劇： I
近年，ディジタル信号処理技術の目覚しい進歩によって，信号処理部をASICとよばれる専用LSIで小型実装できるようになってきたため，ディジタルビームフォーミング（DBF）アンテナの通信分野への適用，特に移動体通信への適用を目指した研究が盛んになってきている．本稿では，ヨーロッパと日本で精力的に進められている通信用DBFアンテナの研究開発状況を紹介すると共に，「移動通信におけるインテリジェントアンテナ」としての将来件について展望する．
キーワード：ディジタルビームフォーミング（DBF），インテT）ジュントアンテナ，移動通信，ASIC

1． は じめに進歩によって，これまで不可能と思われていた小型・高機能な実装技術が現実的なものになる

電波の利用は通信・計測・電波天文等さまざに従い，DBFアンテナの通信への適用，特にまな分野に浸透し，そこで用いられるアンテナ移動通信への適用を目指した研究が盛んになっも多種多様である．その中で，次世代の移動通てきている（（う卜（9）信用インテリジェントアンテナ（＝知能をもっ本稿では，DBFアンテナが有する高機能性・たアンテナ）として脚光を浴びつつあるのが，多機能性に着目してその特徴を述べ，世界の動本稿で紹介するディジタルビームフォーミング

向をふまえてDBFアンテナに関する研究紹介（DigitalBeamforming：DBF）アンテナである．

を行う．最後に，時代の要請と技術の進展によっDBFアンテナはビームの走査や指向性の合成て見えてきた「移動通信におけるインテリジェなど高周波部が担ってきた大部分の機能をディジタル信号処理によって実現するアレーアンテ

る．

ントアンテナ」としての将来性について展望すナである．これまで，DBFアンテナの技術は，広い範囲から到来する電波を瞬時に識別するこ

2．DBFアンテナの原理と特徴とが必要なレーダの受信用アンテナとして発達

DBFアンテナは多くの素子アンテナで構成してきた（り〜（5）．通信用としては，DBFアンテされるアレーアンテナの各々の信号を，途中でナが本来有する高度な機能がこれまで必ずしも合成したり分配したりすることなくそのまま求められなかった上に，ディジタル信号処理部ディジタル信号処理部に取り込んで，マルチへの過度な負担が装置の規模とコストに反映ビーム形成や低サイドローブ特性等アンテナにし，いまだ実用には至っていない．しかしなが求められる大部分の機能をディジタル信号処理ら，近年，ディジタル信号処理技術の目覚しいによって実現するもので，アンテナの究極の姿

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900ともいわれている（1）．その信号処理の過程におパターン）は瞬時瞬時いつも一つである．一方，いて，周りの環境に応じて適応的に動作するよDBFアンテナは個々のアンテナの信号をそのうな「知能」を組み込むことができるので「イまま（周波数は変換されるが情報は保存されたンテリジェントアンテナ」でもある．そこには状態で）ディジタル信号に変えて取り込み，各々アンテナ技術，ディジタル信号処理技術，適応ウェイトを与えて合成する際，異なる組合せを制御技術，実装技術等幅広い要素技術が集積さ並列処理によっていくつでも作り出すことがでれる．また，適応信号処理という観点からきるため，アンテナーつでさまざまに変化する

DBFアンテナの本領は受信アンテナとして発複数の顔を同時にもつことができる．同様の機揮されるが，受信DBFアンテナの情報（適応能をアナログ回路（Blass回路，ButlerMatrix受信した結果）に基づき送信信号も作り目すこ回路等）を用いて実現することも可能であるとができるので，インテリジェントな送信アンが10），給電配線がマトリックス状にふくそうすテナとしても同様に構成できる．ここでは，受るのでアンテナ素子数が多くなるほど複雑にな

信機能にポイントを絞ってその原理と特徴を述り，かつ，ビームマネージメント（ビーム再構べる．

成等）にフレキシビリティがないのも欠点であ（1）フェーズドアレーアンテナとDBFアる．DBFの場合，受信後の雑音の影響を逃れるため素子ごとに低雑音増幅器が必須であり，ンテナ

DBFアンテナの特徴はフェーズドアレーア

アンテナ素子と能動素子が−・体化したアクティンテナと比較するとわかりやすい．図1は両者ブアンテナ構成となるが，コストの高い移相器の基本構成を示している．フェーズドアレーアが不要になるメリットは大きい．DBFアンテ

ンテナは各素子アンテナの給電部の位相を調整

ナは信号処理によって所望のパターンを並列的することによって所望のパターン（指向性）をに作り‖すことができるためマルチビーム形成作り出すことができ，そのパターンを周囲の電や複雑な電波環境に適応的な動作が求められる波環境の変化に応じて適応的に制御することも分野に適している．

できる．その場合でもアンテナが有する顔（＝（2）アナログ回路とディジタル回路の接点

一・−−￣￣− ヽ

一つの出力（a）フェーズドアレーアンテナ
移相器を制御することによってアンテナパターンが変化する（…つの顔がさまざまに変化する）

さまざまな出力（b）DBFアンテナ
並列信号処理によって，複数のパターンを同時に制御できる（多数の顔がさまざまに変化する）

匡＝ フェーズドアレーアンテナとDBFアンテナの特徴比較
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解説／通信用ディジタルビームフォーミングアンテナ・−見えてきたインテリジェントアンテナとしての将来

各々のアンテナからの信号（アナログ信号）

901

ビット数を減らすことも可能となるが1），特に，は，どこかの段階でアナログ／ディジタル変換

人力信号のレベル変動が人きいケースに適用す（A−D）され信号処理系（DSP部）に取り込まる場合には詳細な検討が必要である．

れる．岡2はベースバンド部，中間周波部（IF部），高周波部（RF部）でのA−D変換の例を示している．ベースバンド部（a）の場合はか（3）エレメントスペースとビームスペース

ディジタル信号処理を行って所望の品質をもなりの処理がアナログ部でなされているので，つ信号を取り出す場合，素子アンテナの各々に最適な重みづけをして合成する方法が一般的でDSPが有する信号処理機能を最大限に発揮である．これに対して，いったん，指向性をつけきる．すなわち広帯域信号の処理に適している．て一定方向の電波を受けやすくするビームを複中間周波部の場合（b）は，サンプリングや処数形成してから，それらの出力を最適合成する．前者の処理はエレメントス

理速度の限界から信号帯域幅の1〜数倍に中間方法もある（川・（12）周波数が設定される場合が多い．RFサンプリ

ペース，後者はビームスペースとよばれている．

ング（c）はサンプリングオシロスコープの原

岡3はビームスペースの基本構成を示してい理に従い，高周波信号を間欠的にサンプルし直る．いずれの場合でも，その最適な重みを決定接（b）と等価な信号を得る方法である．まだ，技術的に難しい何もあるが「アンテナ十ディジするアルゴリズムには適応フィルタの理論に基タル回路」という通信機の理想に近づいている．
A−D変換器のビット数をいくつに設定するづくLMS（LeastMeanSquare），RLS（RecursiveLeastSquare），CMA（ConstantModulusAlgo−

かは，信号品質と処理能力に影響を与える重安rithm）等がよく使われる．制御が収束した状
態は，アルゴリズムが同じであれば二つのスな問題である．アンテナ素子数が多くなると，ペース方式で変りはない．しかしながら，DBF
アンテナの本領はこのビームスペース方式（すBPF：帯域フィルタ LPF：低域フィルタ

なわち1次処理としてマルチビームを先に形成する方式）に現れる．多数の素子を有するアン（IF）（RF）（ベースバンド）

テナでは一つ一つの素子の中の所望信号は雑音や干渉波の中に深く埋もれるので，最適ウェイ▽由思▽扁す▽由思▽由恩

トをみつけるのに時間がかかるのに対して，

・・・・三（a）ベースバンド信号のA−D変換

晶

マルチビーム形成器

l・阜∴一 丁∴・●l（b）IF信号のA−D変換

ビーム選択器

、l

￣

● ・￣

適応信号処理部

くっ7出力（c）RF信号のA−D変換（サンプリングオシロスコープの原理による）

図2 DBFアンテナに用いられる代表的なA−D変換方式
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図3 ビームスペース方式DBFアンテナの適応信号処理の例 図の矢印の色の濃さはC／Ⅳ（またはC／♪ の程度を表し，濃い色ほどC／〃が低い．適応信号処理部では少ない数の信号を取り扱うので，収束時間を短くできる．

902

ビームスペースではそのいくつかのビームにはは懐疑的にみられていた．このイメージを【一変かなり高い品質の信号をもつものが存在する．

させつつあるのが，ASIC（ApplicationSpecific

それらのビーム出力だけを使うことで目的とする品質の信号が得られる．これは大幅な回路規IntegratedCircuit）とよばれる専用LSIによる小型実装技術の進歩である．これを機にDBF模と演算時間の減少をもたらす．

アンテナはその高機能性を必要としている移動1次処理に相当するマルチビーム形成はDBF通信分野で一気に花を開かせようとしている．

アンテナが最も得意とする信号処理である．こ（1）街星搭載用マルチビームアンテナのマルチビームを少ない演算で形成する方法と欧州宇宙機関（ESA）では，近い将来の移動してFFTのアルゴリズムがよく用いられる叫．

体衛星通信システム（周波数1．5〜3GHz）を直線上に等間隔（通常1／2波長間隔）に配列さ想定した衛星搭載用マルチビームアンテナとしれたⅣ本（2のべき乗）の素子からなるアレーてDBFアンテナのフィージビリティ研究をアンテナからⅣ個のビームを形成するときに行っている（7）．現実的なものとなりつつある移適用できる．ここで，Ⅳ番目のアンテナの延動体・パーソナル衛星通信サービスを提倶する

長線上に仮想的なⅣ＋1本目のアンテナを考周回軌道衛星や静止衛星通信システムへの適用

え，1番目のアンテナとの問で位相差が2∽方をねらっており，現在，装置メーカやコンサル（椚＝−Ⅳ／2，−Ⅳ／2十1，…，−¶1，0，1，…Ⅳ／

ティング会社とコントラクトベースで調査研究2−1）となるように各素子アンテナの位相を決を進めているり5）．多くのテクニカルレポートが定する．その状態で仝素子アンテナの出力を合作成されているようであるが，余り開示されて成するとⅣ種類の∽の値に対して，各々Ⅳ個おらず，人手可能な情報は限られている．の値が計算できる．この操作は離散フーリエ変現在の評価では，低軌道衛星に求められる換（DFT）の計算をしていることと等価になり，ビーム数が50程度以下ではアナログ方式（バ加算および乗算ともⅣ2回の演算が必要になトラーマトリックス方式）に優位性があるが，る．この演算にFFTのアルゴリズムを用いる

中軌道あるいは静止軌道衛星に求められるビーと加算を∧＝og2Ⅳ回に，乗算を2∧＝og2Ⅳ回

ム数60以上についてはアナログ，ディジタルに減らすことができるので，Ⅳ≧4で効果が現両方式に可能性をみている（7）．DBFは消費電力れ，アンテナ本数が増えるほど効果が大きくなや装置の大きさがビーム数に余り依存しないのる．

で，ビーム数が多いところで有利と考えられて演算量を減らす工夫は，平面アンテナ（2次いる．また，ビームマネージメントにおけるフ元配列）の場合‖3 や円形配列の場合（14）についレキシビリティが高いのも大きな利点の一一つでても試みられている．このような」二夫による演ある．現時点での移動体衛星通信システムへの算量の低減は限られた処理能力の中でDBFア適用に関してはビーム数100当り（すなわちインテナから最大限の性能を引き出すためにも極ンマルサットーPクラスり6り がアナログビームめて重要である．

フォーミングとテざィジタルビームフォーミング

3．通信用DBFアンテナの研究開発の動向の取捨にかかわるクリティカルラインのようである．

このように大規模と思われていたDBFアン

DBFアンテナはレーダに使われる軍用技術テナが，小型軽量化に最大ウェイトを置く衛星として発達してきたため，性能の追及に主眼が搭載用アンテナとして可能性が出てきたのは，置かれ，「DBFアンテナ＝巨人な高機能システディジタル信号処理部を小型に実装可能なム」としてのイメージが定着している．このたASIC（専用LSI）の技術進展に負うところが大め，小型・低価格を重視する通信分野への適用

きい．限られた処理能力の中でどの程度の機能
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解説／通信用ディジタルビームフォーミンクアンテナ 見えてきたインテリジェントアンテナとしての将来−

903が実現できるかは，信号の帯域幅（サンプルレート）やアンテナの素子数に依存する．ESAのコントラクトを受けてERA祉が実施した1991
年時点での評価によれば，10チップのASICで，20素子アンテナの帯域10MHz信号を処理できると算定している㈱．

衛星搭載用ではASIC化に際しての課題，すなわち消費電九 放熱問題，耐宇宙環境性等，がDBF実現の鍵を握っているように思われ，DBFアンテナの時代の足音はもうそこまできているようである．
（2）移動体衛星通信用移動局アンテナ
移動体搭載用アンテナには，移動体の動きに伴って変化する電波の到来方向を正しく捕そくして追尾する機能や，地面や建物から反射され図416素子DBFアンテナ信号処理部のFPGAによる構成（受信系試作システムの外観） 34cmX22cmの大きさの中にビームスペースCMA方式を実硯する回路が組み込まれている．この構成で16kbit／sのQPSK信号がリアルタイムに処理できる（最大64kbit／sの伝送速度まで対応吋）．一打＝ニアー
キテクチャ り司路構成）でASIC化すれば1チップで約2Mbit／sの信号を処理することができる．

た波によるマルチパスフェージングの軽減，更には，他衛星からの干渉除去等，正にインテリペースCMA機能を具備した信号処理部を10ジェントな働きが求められる．ATR光電波通偶のFPGA（一つ当り約13，000ゲート）で構

信研究所では，この分野への適応を目指したL

成したDSPボードであり，B4サイズの大きさ帯（1．5GHz帯）DBFアンテナの研究開発をに収まっている．同じ構成でカスタム化した進めている（8）・（1れ（⊥7ト（20）ASICを用いれば1チップですみ，130MHzの送受で周波数分維機能の高いパッチアンテナ（セルフダイブレクシングアンテナ）16素子クロックで2Mbit／sのQPSK信号が処理できるとの見積りを得ている（18）．

を4×4の平面に配列したアレーアンテナ構成形成されたマルチビームの内，常に最大レベで，前述のFFTアルゴリズムにより上部平面ルで信号を受信しているビームを選択する方法

上に16本のマルチビームを張る方式を採ってによって，ハードウェアとしての追尾機構（移いる．16kbit／sの7T／4−QPSK信号を32kHz

動体の方位検出器ヤフイードバック制御機構）のIF帯でA−D変換し，信号処理部の後段にはが一切不要になる．ETSⅤ衛星の1．5GHz電ビームスペースのCMA方式を組み込んだ実験波を用いた野外走行実験によって，その機能もシステムの試作を進めている（柑）．そこでは，信既に確認されている（19）．また，マルチビームの号処理部にユーザ側で回路構成の書き換えが自由にできるFPGA（Field Programable Gate

各ウェイトを制御することによって干渉波の方向にアンテナパターンの零点を形成する十渉波

Array）を採用して，ソフトのデバッグや改良除去アルゴリズム：ビームスペースCMA方に機動性のある開発方式を採っており，その中式（12）や，反射波も積極的に利用してSN比の高で，並列処理，パイプライン処理など演算速度い信号を得るディジタルセルフビームステアリの向上に多くの工夫を行っている．FPGAは処ング方式（20J等，DBFアンテナのインテリジェ

理速度と容量においてカスタム化されたASIC

ンスを担う部分の研究も進められている．に大きく劣るが，ASIC化に際してFPGAで開（3）その他発したアーキテクチャがほぼそのまま利用でき特定な応用分野を想定せず，簡易な構成によるので，FPGAによる開発段階でASIC実装イるDBFアンテナの実現を目指した研究・開メージをもつことができる．岡4はビームス発・試作がカナダのMcMaster大学において行

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904

われている（9）．4素子アレーアンテナで構成し，情報伝送サービスであり，これが移動体に対し制御アルゴリズムにはCMAを採用している．て提供される時代である．840機の衛星を低軌

ディジタル変換部の簡易化を図るため各アンテ道に打ち上げマルチメディアサービスを提供しナ素子の情報を時間をずらしてサンプリングすようとするTeledesic（旧Calling）システム（21）るシーケンシャルサンプリング等に特徴を出しはその一例である．小型・低コスト化が実現でている．

DBFアンテナは主に軍用のレーダを対象ときればフェーズドアレーアンテナを用いて商用サービスが開始されている航空衛星通信の航空して発展してきた技術であるため，この分野で機搭載用アンテナ等としてのニーズもある．

開発実績をもつ国内外の製造メーカ，開発機関（3）についてほまだ余り取り上げられていは通信用DBFアンテナの開発に際しても潜在ないが，DBFアンテナの高機能件を発揮する的な力を有しており，蓄積されたノウハウの活のにふさわしい適用分野と思われる（22）．次世代用が期待できる．これらの機関での通信用としの移動通信方式として期待が高まっているての開発動向はまだ余り表面にはみえてきていCDMA（符号分割多元接続）方式に対しては，ないが，アクティブアンテナ技術・ディジタル基地局をアレーアンテナ構成にしてチャネル容Ⅰ／Q検波技術・リアルタイム処理技術等，素地量増加を図るシステムの提案が盛んになってきは固まってきていると感じられる．

た（23ト（26）．周波数の利用効率を高める努力は無4．将来の展望 ¶移動通信におけるインテリジ工ントアンテナとして−「嘩啄（そったく）同時」という言葉がある．

雛がかえろうとして卵の殻を内側からコツコツ線通信に課せられた永遠のニーズであり，10〜20倍，あるいはそれ以上のチャネル増加に可能性を有するDBFアンテナにかかる期待は非常に大きい（2F））

シーズとつつくのを「嘩」，母鳥が生まれ山ずる雛をDBFアンテナは信号処理部に多くの機能を待って外からコツコツとつつくのを「啄」とい集中させているので，信号処理部において「どい，その二つの動作が同時に行われたときに新のくらいのイ云送帯域の信号が指定のアルゴリズ

しい命が世に出る．「時を得る」という意味らしい．これを，DBFアンテナにおける「シーズ」

ムでリアルタイムに動作し」，そのときの「規模とコストが現実的である」かどうかが，「使と「ニーズ」の合致という視点から展望したい．

い物になる」かどうかを決める．その鍵を握っニーズているのがASICによる実装技術である．この通信用に求められる高機能アンテナとして，技術は信号処理プロセッサ（DSP）の性能の進次のようなものが挙げられる．

（1）多数のビームがフレキシブルに地球を照射する衛星搭載用マルチビームアンテナ

歩に依存する．2000年ごろを想定すると，マルチメディアやHDTV向けにDSPの研究が加速され，DSPの演算処理速度は更に向上し，現（2）めまぐるしく変化する劣悪な電波環境状の10倍近い性能向上が見込まれる（27）．このの中でいつもどげムが衛星に向いて所望の信号ころには，情報速度20Mbit／s，ビーム数20程のみをキャッチすることができる衛星通信用移度の処理が1チップのASICで可能となろう．

動体搭載アンテナ（3）限られた周波数の中で効率良い通信をる複合技術であることは既に述べた．MMICと可能とする地上系セルラ基地局アンテナ一体化したアンテナ構成法等RF部の技術（28），（1），（2）については3．の中で既に述べた．

DBFアンテナがさまざまな要素技術よりな知能の部分を担うアダプティブ制御アルゴリズ（2）について補足すると，DBFアンテナによムに関する技術（29）は，それ自体で研究分野をる高機能性が必要になるのは画像伝送等広帯域もち，各々の中で着実な進歩をみせている．い
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解説／通信用ディジタルビームフォーミンクアンテナ 見えてきたインテリジ工ントアンテナとしての将来一

マルチメディア
移動通信の発展（ニーズ）905★ヾ∵ †★÷

移動体衛星通信用マルチビームアンテナ

図5 DBFアンテナ技術のシーズとニーズ 生まれ山ずる
技術とそれを待ち望むマルチメディア社会との閃に「嘩啄っている．
（そったく）同時」の気運がみなぎずれもDBFアンテナの実現に必須の技術であ術の目覚しい進展に伴うアンテナ技術の進歩により，DBFアンテナを取り巻く環境は，正にる．

図5にこれらニーズとシーズの関係をまとめ「嘩啄（そったく）同時」の気運がみなぎってきたといえよう．但し，生まれつつある技術にて示す．

5．おわ り に通信用DBFアンテナの研究開発に焦点を当てて技術動向と展望を述べた．通信用に限って対して，過剰な期待を抱くこともまた危険である．例えば，DBFで100MHz以上の帯域を扱える可能件はみえておらず，このあい路をいかに切り開くかが，次の発展の鍵となろう．

みると，ESA（ヨーロッパ）を核とした衛星搭載用アンテナ技術，ATR（日本）における移動体搭載アンテナ等，まだ研究機関は限られているが，いずれも力の入った取組みをしている．

一つ一つの衛星から100を超えるビームがフレキシブルに地上を照射して地上の至るところに通信手段を提供し，また，地上では高い指向性をもつアンテナが追尾装置なしに衛星電波を正しく受信する広帯域移動体衛星通信，セルラ基地局のアンテナが所望波と干渉波を的確に識別し，従来の10倍も20倍も周波数が有効に利用される地上系移動通信，いずれもDBFアンテナによって実現するだろう21世紀のイメージである．

マルチメディア社会の到来が求める高棟能ア
ンテナに対する期待と，ディジタル信号処理技
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からさわよしお
唐沢 好男（止員）
昭4811Ⅰ梨人・丁・電気卒．昭52京大大学院修士課程了．同年国際電信電話（株）人社．以来 同研究所において無線通信の電波イ云搬およびアンテナの研究に従事．平5より（株）ATR光電波通信研究所．現在，同社無線通信第1研究室長∴「鳳
日昌57年鹿本会学術奨励賞受賞．

いのまたひでゆき
猪股 英行（正員）昭40東北人・理・天文キ．帽H5同人学院博仁課程（物理）単位修得退学．い］年郵政省電波研究所人所．以来，光および電波を川いたリモートセンシング等の研究に従丸 平元ド拍湖西支所長．
現在，（株）A′r針貯電波通信相明所社長．【二胤昭62年度科学技術庁長官賞受軋

電子情報通信学会誌9／，95