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JP6926702B2 - 無線通信装置及びビーム制御方法 - Google Patents

無線通信装置及びビーム制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、無線通信装置及びビーム制御方法に関する。
一般に、複数のアンテナ素子が配列されたアレーアンテナを利用する指向性ビーム制御には、フェーズドアレーを用いるアナログ方式と、デジタル信号処理で各アンテナ素子に重み付けをするデジタル方式とが知られている。アナログ方式では、複数のアンテナ素子に対して1系統の無線回路やDA(Digital Analogue)/AD(Analogue Digital)コンバータを備えれば良いため、消費電力が比較的小さくて済む。ただし、アナログ方式では、指向性ビーム(以下、単に「ビーム」という)が1方向に生成されるため、複数のユーザへ同時にビームを向けることが困難である。これに対して、デジタル方式では、複数のユーザへ同時にビームを向けることが容易である一方、アンテナ素子と同数の無線回路やDA/ADコンバータが備えられることとなり、消費電力が増大する。
そこで、近年では、アナログ方式とデジタル方式を組み合わせてビーム制御を行うハイブリッド方式が提案されている。ハイブリッド方式によれば、デジタル方式よりも消費電力を低減しつつ、複数のユーザに対して同時にビームを向けることができる。すなわち、ハイブリッド方式では、複数の系統の無線回路やDA/ADコンバータが備えられるとともに、それぞれの系統の無線回路やDA/ADコンバータが複数のアンテナ素子と接続される。このため、無線回路やDA/ADコンバータの系統数がアンテナ素子の数よりも少なくなり、デジタル方式と比較して消費電力を低減することができる。また、無線回路やDA/ADコンバータの系統数のデータストリームを同時に処理することができるため、無線回路やDA/ADコンバータの系統数のユーザに対して同時にビームを向けることができる。
なお、以下においては、1系統の無線回路及びDA/ADコンバータとこの系統に接続される複数のアンテナ素子とをまとめて「サブアレー」という。したがって、ハイブリッド方式のビーム制御では、サブアレーと同数のユーザに対して同時にビームを向けて通信することが可能である。
複数のサブアレーを用いたハイブリッド方式のビーム制御においては、共通の位相によって重み付けが可能な方向のユーザをグループ化し、同一グループのユーザに対して同時にビームを向けることが検討されている。これにより、各ユーザの方向へ向くビームが互いに強め合うことになり、同時に通信する複数のユーザに対して、十分な電力強度のビームを生成することが可能となる。
特開2016−201769号公報
X. Huang, Y. Jay Guo and J. D. Bunton, "A Hybrid Adaptive Antenna Array", IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, Vol.9, No.5, 2010年5月
ところで、ユーザをグループ化する場合には、例えば上述したように、共通の位相によって重み付けが可能であるという条件に従ってグループ化するため、必ずしもすべてのユーザがグループ化されるとは限らない。すなわち、例えば上述したグループ化においては、ユーザごとの信号の到来方向の三角関数による写像が算出され、写像間の間隔が所定の条件を満たすユーザが同一のグループに属する。このため、ユーザの位置によっては、同一のグループに属する他のユーザが存在しないこともある。このような場合、同時に通信するユーザ数は1ユーザとなり、すべてのサブアレーを利用して1ユーザのためのビームを生成することになるため、効率が悪い。
そこで、複数のユーザの位置に応じて、すべてのサブアレーを利用してグループごとの複数のユーザ向けのビームを生成するか、それぞれのサブアレーを利用して各ユーザ向けのビームを生成するかを切り替えることが考えられる。すなわち、複数のユーザが同一のグループに属する位置に存在すれば、すべてのサブアレーを利用して、このグループに対する十分な電力強度のビームを生成する。一方、各ユーザがそれぞれ異なるグループに属する位置に存在すれば、ユーザごとに異なるサブアレーを利用して、利用するサブアレーと同数のユーザに対するビームを生成する。
具体的には、例えばサブアレー数が4である場合、同時に通信可能なユーザ数は、各ユーザの位置のパターンによって、例えば図10に示すように異なる。なお、ここではサブアレー数が4であるため、同時に通信可能な最大のユーザ数も4である。
パターン1では、4ユーザがすべて第1グループに属するため、すべてのサブアレーを利用して、第1グループの4ユーザに対するビームを同時に生成する。これにより、4ユーザと同時に通信することができる。
パターン2では、3ユーザが第1グループに属し、残りの1ユーザが第1グループに属さないため、すべてのサブアレーを利用して、第1グループに属する3ユーザに対するビームを同時に生成する。これにより、3ユーザと同時に通信することができる。
パターン3では、2ユーザが第1グループに属し、残りの2ユーザが同一グループに属さないため、ユーザごとに異なるサブアレーを利用して、第1グループに属する1ユーザとグループに属さない2ユーザとに対するビームを同時に生成する。つまり、互いに異なるグループに対応する位置の3ユーザに対して、それぞれ異なるサブアレーを利用して同時にビームを生成する。これにより、3ユーザと同時に通信することができる。
パターン4では、2ユーザが第1グループに属し、残りの2ユーザが同一の第2グループに属するため、すべてのサブアレーを利用して、いずれかのグループに属する2ユーザに対するビームを同時に生成する。これにより、2ユーザと同時に通信することができる。
パターン5では、4ユーザがすべて同一グループに属さないため、ユーザごとに異なるサブアレーを利用して、各ユーザに対するビームを同時に生成する。これにより、4ユーザと同時に通信することができる。
しかしながら、すべてのサブアレーを用いて1グループのユーザに対するビームを生成するビーム制御と、ユーザごとに異なるサブアレーを用いて各ユーザに対するビームを生成するビーム制御とを切り替えるのでは、同時通信が可能なユーザ数に限界がある。すなわち、例えば上記の図10に示した例では、4つのサブアレーを用いて同時に通信可能な最大のユーザ数が4であるにも関わらず、パターン2〜4では同時通信ユーザ数が2又は3である。
このように、ユーザの位置関係によっては、同時に通信可能なユーザ数を十分に多くすることが困難であり、システム全体のスループット向上に一定の限界があるという問題がある。
開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、スループットを向上することができる無線通信装置及びビーム制御方法を提供することを目的とする。
本願が開示する無線通信装置は、1つの態様において、複数のアンテナ素子と当該複数のアンテナ素子における送信信号又は受信信号に対して所定のアナログ処理を施すアナログ処理部とをそれぞれ備える複数のサブアレーと、前記複数のサブアレーに接続されるプロセッサとを有し、前記プロセッサは、複数のユーザから送信された信号の到来方向を推定し、推定された到来方向を示す角度の三角関数による写像を算出し、算出された写像に基づいて、前記複数のユーザが属する複数のグループを生成し、前記複数のサブアレーに含まれる一部のサブアレーの組み合わせであって、互いに干渉しない指向性ビームを生成するサブアレーの組み合わせをグループごとに割り当て、グループごとに割り当てられたサブアレーを用いて、各グループに属するユーザの方向へ指向性ビームを生成するための重み係数を決定する処理を実行する。
本願が開示する無線通信装置及びビーム制御方法の1つの態様によれば、スループットを向上することができるという効果を奏する。
図1は、一実施の形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。 図2は、接続スイッチによる接続を示す図である。 図3は、プロセッサの機能を示すブロック図である。 図4は、グループ分けを説明する図である。 図5は、一実施の形態に係るビーム生成処理を示すフロー図である。 図6は、ビーム間の位相関係を説明する図である。 図7は、重み係数算出処理の具体例を示すフロー図である。 図8は、同時通信ユーザ数の増加を説明する図である。 図9は、生成ビームの具体例を示す図である。 図10は、ユーザの位置パターンごとの同時通信ユーザ数の具体例を示す図である。
以下、本願が開示する無線通信装置及びビーム制御方法の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
図1は、一実施の形態に係る無線通信装置100の構成を示すブロック図である。図1に示す無線通信装置100は、アンテナ素子110−1〜110−N(Nは2以上の整数)、フェーズシフタ120、接続スイッチ130、アナログ処理部140−1〜140−L(Lは2以上N未満の整数)、DA/AD変換部150−1〜150−L及びプロセッサ160を有する。
アンテナ素子110−1〜110−Nは、直線上に一列に並べて配列され、アンテナアレーを形成する。各アンテナ素子間の間隔dは、例えば送受信される電波の波長λの2分の1に設定される。
フェーズシフタ120は、アンテナ素子110−1〜110−Nを重み係数wa1〜waNによって重み付けし、ビームを生成する。このとき、フェーズシフタ120は、プロセッサ160から通知される重み係数wa1〜waNを用いてビームを生成する。アンテナ素子110−1〜110Nの配列方向に対して垂直な方向とのなす角度がθの方向を向くビームを生成する場合、重み係数wan(nは1〜Nの整数)は、例えば以下の式(1)によって表すことができる。
Figure 0006926702
ただし、上式(1)において、eは自然対数の底、jは虚数単位、dはアンテナ素子間の間隔、λは電波の波長をそれぞれ示している。このような重み係数wa1〜waNによってアンテナ素子110−1〜110−Nを重み付けすることにより、各アンテナ素子においてθの方向へ放射する又はθの方向から入射する電波の位相が揃うため、θの方向にビームが生成される。
接続スイッチ130は、アンテナ素子110−1〜110−Nとアナログ処理部140−1〜140−Lを接続する。具体的には、接続スイッチ130は、図2に示すように、例えばアナログ処理部140−1とアンテナ素子110−1からL本間隔のアンテナ素子とを接続し、アナログ処理部140−Lとアンテナ素子110−LからL本間隔のアンテナ素子とを接続する。すなわち、一般化すると、接続スイッチ130は、アナログ処理部140−i(iは1〜Lの整数)とアンテナ素子110−(i+aL)(aは0以上の整数)とを接続する。
図1に戻って、アナログ処理部140−1〜140−Lは、送信信号及び受信信号に対して所定のアナログ処理を施す。具体的には、アナログ処理部140−1〜140−Lは、例えば送信信号をアップコンバートして増幅したり、受信信号をダウンコンバートしたりする。
DA/AD変換部150−1〜150−Lは、送信信号及び受信信号についてDA変換又はAD変換を実行する。すなわち、DA/AD変換部150−1〜150−Lは、プロセッサ160から出力される送信信号をDA変換し、得られたアナログ信号をアナログ処理部140−1〜140−Lへ出力する。また、DA/AD変換部150−1〜150−Lは、アナログ処理部140−1〜140−Lから出力される受信信号をAD変換し、得られたデジタル信号をプロセッサ160へ出力する。
このように、アンテナ素子110−1〜110−Nは、アナログ処理部140−1〜140−L及びDA/AD変換部150−1〜150−Lに接続されているため、無線通信装置100は、L個のサブアレーを有する。したがって、無線通信装置100が同時に通信可能な最大のユーザ数はLである。そして、それぞれのサブアレーは、L本間隔のアンテナ素子110−1〜110−Nを備える。
プロセッサ160は、例えばCPU(Central Processing Unit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)又はDSP(Digital Signal Processor)などを備え、ユーザからの受信信号の到来方向を推定することにより、各ユーザの位置を推定し、それぞれのユーザに対してビームを向けるための重み係数を算出する。このとき、プロセッサ160は、ユーザの位置を示す角度の三角関数による写像を算出し、算出された写像によってユーザをグループ分けする。そして、プロセッサ160は、同時に通信可能なユーザ数が最大となるように、各グループのユーザにサブアレーを割り当て、それぞれのサブアレーによってビームを生成する。
具体的には、プロセッサ160は、図3に示すように、到来方向推定部161、写像算出部162、グループ生成部163、サブアレー割当部164、アナログ重み係数算出部165、デジタル重み係数算出部166、重み付け処理部167及び信号処理部168を有する。
到来方向推定部161は、DA/AD変換部150−1〜150−Lから出力される複数のユーザからの受信信号を取得し、それぞれの受信信号の到来方向を推定する。このとき、到来方向推定部161は、アナログ重み係数算出部165によって算出された重み係数wa1〜waNを考慮して、各受信信号の到来方向を推定する。すなわち、到来方向推定部161は、アンテナ素子110−1〜110−Nに設定された重み係数wa1〜waNをアナログ重み係数算出部165から取得し、この重み係数wa1〜waNで受信された受信信号の到来方向を推定する。
到来方向推定部161は、受信信号の到来方向を表す角度として、アンテナ素子110−1〜110−Nの配列方向に対して垂直な方向と受信方向の到来方向とがなす角度を求める。すなわち、到来方向推定部161は、アンテナ素子110−1〜110−Nが並ぶ配列方向に対して垂直な方向を0度として、この方向からの角度を受信信号の到来方向として算出する。
写像算出部162は、到来方向推定部161によって推定された受信信号の到来方向それぞれの三角関数による写像を算出する。具体的には、写像算出部162は、それぞれの到来方向を示す角度の正弦(sin)を算出する。したがって、写像算出部162は、各ユーザの位置を示す角度の正弦をそれぞれのユーザに関する写像として算出する。なお、受信信号の到来方向としては、アンテナ素子110−1〜110−Nが並ぶ配列方向を0度とした角度が算出されても良く、この場合には、写像算出部162は、各ユーザの位置を示す角度の余弦(cos)を算出しても良い。
グループ生成部163は、写像算出部162によって算出された写像に基づいて、複数のユーザをグループ分けする。具体的には、グループ生成部163は、1ユーザを基準ユーザに設定し、基準ユーザに関する写像との差分が所定の条件を満たす写像に対応するユーザを基準ユーザと同一グループに所属させる。そして、グループ生成部163は、順次基準ユーザを設定し、すべてのユーザがいずれかのグループに所属するまで、基準ユーザと各ユーザに関する写像が所定の条件を満たすか否かの判定を繰り返す。
ここで、基準ユーザと同一グループに所属するユーザの写像が満たすべき条件について、図4を参照しながら説明する。図4は、無線通信装置100が位置する点OとユーザA及びユーザBの位置とを模式的に示す図である。図4においては、点Oに位置する無線通信装置100のアンテナ素子110−1〜110−Nが左右方向に一列に並んで配列されているものとする。このとき、これらのアンテナ素子110−1〜110−Nによってビームを生成することが可能な範囲は、図4中の角度Θであるものとする。したがって、この範囲で生成されるビームの方向の正弦による写像は、−sinΘ/2からsinΘ/2までの範囲に含まれる。
いま、受信信号の到来方向推定により、ユーザAの位置を示す角度がαと算出されたものとする。このとき、ユーザAに関する正弦による写像は、sinαとなる。すなわち、図4における点Aは、点Oからsinαだけ離れている。このようなユーザAを基準ユーザとした場合、ユーザAと同じグループに所属するユーザBに関する写像は、以下の式(2)を満たす。
Figure 0006926702
ただし、上式(2)において、βはユーザBの位置を示す角度を示し、Δxは許容範囲内の誤差を示す。また、lは絶対値がL以下の整数である。式(2)からわかるように、基準ユーザAに関する写像sinαとユーザBに関する写像sinβとの間の間隔は、アンテナ素子110−1〜110−Nによってビームを生成することが可能な範囲の写像をサブアレー数Lで等分した間隔の整数倍に誤差Δxを加えた間隔である。
このようなグループ分けをすることにより、各グループ内のユーザに対して同時にビームを向ける場合には、それぞれのユーザの方向のビームが干渉することがなく、グループ内のユーザとの同時通信が可能である。
サブアレー割当部164は、グループ生成部163によるグループ分けの結果に基づいて、それぞれのグループのユーザに対するサブアレーの割り当てを決定する。すなわち、サブアレー割当部164は、同時に通信可能なユーザ数が最大となるように、L個のサブアレーを複数のグループのユーザに割り当てる。換言すれば、サブアレー割当部164は、L個のサブアレーを複数のグループに割り当てて、1つのグループ内のユーザだけでなく、サブアレーが割り当てられた複数のグループのユーザによる同時通信を可能にする。
このとき、サブアレー割当部164は、それぞれのグループについて、サブアレーを組み合わせて互いに直交するビームを生成することができる方向にユーザが存在するか否かを判定し、ユーザが存在する方向の数が最も多いグループから順にサブアレーを割り当てる。具体的には、サブアレー割当部164は、1つのグループについて、サブアレー数Lの約数Mを利用サブアレー数として、利用可能なK個間隔のサブアレーM個を利用して直交するビームが生成されるM個の方向それぞれにユーザが存在するか否かを判定する。そして、サブアレー割当部164は、サブアレーの間隔K及び利用サブアレー数Mごとにユーザが存在する方向をカウントし、ユーザが存在する方向の数が最大となる間隔K及び利用サブアレー数Mを、このグループに対応付けて記憶する。
ここで、K個間隔のサブアレーM個を利用して直交するビームが生成される方向は、以下の条件(A)を満たす。
Figure 0006926702
ただし、上記(A)において、k及びlはL個すべてのサブアレーを利用して生成されるビームの方向の番号を示し、mod(m,n)はmをnで除算した場合の剰余を示す。
例えばサブアレー数Lが4であり、このうち2個間隔のサブアレー2個を利用してビームを生成する場合、kとlの差を2で除算した場合の剰余が0にならなければ、k及びlの方向に互いに干渉しない直交するビームを生成することができる。したがって、4個のサブアレーによって生成される1番目から4番目までのビームの方向のうち、ビームの方向の番号の差が奇数となる例えば1番目と2番目、2番目と3番目などのように、隣接する方向のビームであれば互いに干渉しない。同様に、1番目と4番目のビームも互いに干渉しない直交ビームとなる。
一方、4個のサブアレーのうち、1個間隔の隣接するサブアレー2個を利用してビームを生成する場合、kとlの差の1/2が整数となり、かつ、kとlの差の1/2を2で除算した場合の剰余が0にならなければ、k及びlの方向に直交ビームを生成することができる。したがって、ビームの方向の番号の差が2となる例えば1番目と3番目、2番目と4番目などのように、1つおきの方向のビームであれば互いに干渉しない。
上記の条件(A)は、以下のようにして導くことができる。すなわち、一部のサブアレーを1つのグループに割り当てるために、L個のうちM個のサブアレーを用いて、直交するビームが生成される条件を求めれば良い。
1個のサブアレーiがθ方向に生成するビームは、以下の式(3)で示される。
Figure 0006926702
ここで、Nはアンテナ素子数、Lはサブアレー数、dは最小のアンテナ素子間隔、λはキャリア周波数の波長、wi,nはフェーズシフタ120の重み係数を表す。θ0方向に対して上式(2)の関係を満たすθl方向のビームは、以下の式(4)のようになる。
Figure 0006926702
ここで、フェーズシフタ120が振幅を固定し位相を制御するものとして、θl方向にビームを向ける場合に生成されるグレーディングローブの方向の1つであるθ0方向に強いビームを向けるとすると、重み係数wi,nは以下のようになる。
Figure 0006926702
これを上式(4)に代入すると、以下の式(5)が得られる。
Figure 0006926702
さらに、フェーズシフタ120がすべてのサブアレーで共通に振幅を変化させるものとすると、上式(5)から以下の式(6)が得られる。
Figure 0006926702
いま、K個間隔のサブアレーM個を利用してθl方向に生成されるビームは、上式(6)から以下の式(7)のようになる。
Figure 0006926702
上式(7)において、m0はM個のサブアレーの始点のアンテナ素子のインデックスである。また、θl方向に強いビームを向けるためには、
Figure 0006926702
とすれば良い。この場合、上式(7)のビームは、以下の式(8)のように表すことができる。
Figure 0006926702
このとき、θk方向のビームは、以下の式(9)となる。
Figure 0006926702
θl方向に強いビームを生成しても、θk方向に干渉を与えないようにするためには、上式(9)のv(θk)=0となれば良い。つまり、上式(9)において、sinに関する分数の分子が0であり、かつ、分母が0でなければ良い。これは、{KM(k−l)}/Lが整数であり、かつ、{K(k−l)}/Lが整数でないという条件に帰着する。この条件は、上述した条件(A)と同値である。
サブアレー割当部164は、利用可能なサブアレーの組み合わせごとに、上記の条件(A)を用いて直交ビームの方向を特定し、直交ビームの方向にユーザが存在するか否かを判定し、ユーザが存在する直交ビームの方向の数が最大となる間隔K及び利用サブアレー数Mをグループに対応付けて記憶する。そして、サブアレー割当部164は、順次各グループについて間隔K及び利用サブアレー数Mを記憶し、ユーザが存在する方向の直交ビームの数が最大であるグループに、記憶されたK個間隔のM個のサブアレーを割り当てる。
そして、サブアレー割当部164は、サブアレーが未割り当てのグループに対して、いずれのグループにも割り当てられていない利用可能なサブアレーを上記と同様に割り当てていく。このようにして、サブアレー割当部164は、同時に通信可能なユーザ数が最大となるように、各グループのユーザにサブアレーを順次割り当てる。
なお、以下においては、複数のサブアレーを組み合わせてビームを生成するビーム制御を「サブアレー間符号化」という。したがって、サブアレー割当部164は、サブアレー間符号化をするために、グループごとにM個のサブアレーを割り当てる。そして、サブアレー割当部164は、利用可能なサブアレーを組み合わせても、1つのビームの方向にしかユーザが存在しない場合には、このユーザのグループに1個のサブアレーを割り当てる。つまり、サブアレー割当部164は、サブアレー間符号化をしても複数のユーザの方向へビームが生成されない場合には、1個のサブアレーを1人のユーザに割り当てる。
アナログ重み係数算出部165は、サブアレー割当部164によってサブアレーが割り当てられた各グループのユーザについて、フェーズシフタ120によって用いられる重み係数wa1〜waNを算出する。具体的には、アナログ重み係数算出部165は、サブアレー間符号化をするグループについては、このグループに割り当てられたサブアレーに属するアンテナ素子の重み係数であって、基準ユーザの方向を向くビームを生成するための重み係数を算出する。このとき、アナログ重み係数算出部165は、グループ分けにおける誤差Δxを考慮して、グループ内の各ユーザの誤差Δxの平均値分だけ基準ユーザの方向からずれた方向を向くビームを生成するための重み係数を算出しても良い。
また、アナログ重み係数算出部165は、サブアレー間符号化をしないユーザについては、このユーザに割り当てられたサブアレーに属するアンテナ素子の重み係数であって、当該ユーザの方向を向くビームを生成するための重み係数を算出する。そして、アナログ重み係数算出部165は、算出した重み係数wa1〜waNをフェーズシフタ120へ通知するとともに、到来方向推定部161へも通知する。
デジタル重み係数算出部166は、サブアレー割当部164によってサブアレーが割り当てられた各グループのユーザについて、ユーザごとのデジタル信号の重み付けに用いられる重み係数を算出する。具体的には、デジタル重み係数算出部166は、サブアレー間符号化をするグループについては、ユーザごとの基準ユーザとの方向の違いに対応する重み係数を算出する。また、デジタル重み係数算出部166は、サブアレー間符号化をしないユーザについては、当該ユーザの方向を向くビームを生成するための重み係数を算出する。
重み付け処理部167は、デジタル重み係数算出部166によって算出された重み係数を用いて、各グループのユーザごとの信号を重み付けする。すなわち、重み付け処理部167は、それぞれのユーザについて算出された重み係数を、DA/AD変換部150−1〜150−Lへ入力される信号又はDA/AD変換部150−1〜150−Lから出力される信号に乗算する。
信号処理部168は、各ユーザ宛てのデータを符号化及び変調して送信信号を生成したり、各ユーザから受信した受信信号を復調及び復号したりする。また、信号処理部168は、サブアレー割当部164によるサブアレーの割り当てに従って、サブアレーが割り当てられたグループごとのユーザが無線通信装置100宛てに同時に信号を送信するようにスケジューリングをし、各ユーザにスケジューリングの結果を通知する制御信号を生成しても良い。
次いで、上記のように構成された無線通信装置100によるビーム生成処理について、図5に示すフロー図を参照しながら説明する。
無線通信装置100は、通信相手となる複数のユーザから送信された信号を受信すると、全ユーザからの受信信号の到来方向を推定する(ステップS101)。具体的には、アンテナ素子110−1〜110−Nによって受信された受信信号がアナログ処理部140−1〜140−Lによってダウンコンバートされ、DA/AD変換部150−1〜150−LによってAD変換される。そして、得られたデジタルの受信信号は、プロセッサ160の到来方向推定部161へ入力され、到来方向推定部161によって、フェーズシフタ120に設定された重み係数wa1〜waNを考慮した各受信信号の到来方向が推定される。このとき、到来方向としては、アンテナ素子110−1〜110−Nの配列方向に対して垂直な方向を0度とした角度が推定される。このようにして推定された角度は、各ユーザの位置を示す角度である。
そして、各ユーザの位置を示す角度の正弦による写像が写像算出部162によって算出される(ステップS102)。算出された全ユーザに関する写像は、グループ生成部163へ出力される。そして、グループ生成部163によって、ユーザのグループ分けが実行される。このグループ分けは、L個のサブアレーを用いて直交するビームを生成することが可能な方向のユーザをグループ化するグループ分けである。
具体的には、グループ生成部163によって、まだ所属するグループが決定していないいずれかのユーザが基準ユーザに設定される(ステップS103)。そして、まだ所属するグループが決定していない他のユーザのうち、基準ユーザの写像との差分が条件を満たす写像に対応するユーザが基準ユーザと同一グループにグループ化される(ステップS104)。
ここで、基準ユーザと同一グループに所属する他のユーザの写像が満たす条件は、以下のようなものである。すなわち、正弦による写像空間において、基準ユーザと他のユーザの写像の差分が、ビームを生成することが可能な範囲をサブアレー数Lで等分した間隔の倍数にほぼ等しい場合に、基準ユーザと他のユーザとが同一グループに所属する。換言すれば、基準ユーザに関する写像をsinαとし、他のユーザに関する写像をsinβとした場合に、sinβが上式(2)を満たす場合に、基準ユーザと他のユーザとが同一グループに所属する。
このようにして、基準ユーザと他のユーザとがグループ化されると、すべてのユーザがいずれかの基準ユーザと同一グループに所属し、全ユーザのグループ分けが完了したか否かが判定される(ステップS105)。この判定の結果、いずれのグループにも所属していないユーザがある場合には(ステップS105No)、これらのユーザのうちのいずれかのユーザが基準ユーザに設定され(ステップS103)、上記と同様に基準ユーザと他のユーザとのグループ化が繰り返される。
このようなグループ分けがグループ生成部163によって実行され、全ユーザのグループ分けが完了すると(ステップS105Yes)、サブアレー割当部164によってサブアレーの割り当ての処理が実行される。具体的には、L個のサブアレーのうち利用可能なサブアレーの組み合わせごとに、生成される直交ビームの方向にユーザが存在するか否かが判定され、ユーザが存在する直交ビームの方向がカウントされる(ステップS106)。そして、ユーザが存在する方向の直交ビームの数が最大となるサブアレーの組み合わせが、これらの直交ビームの方向に存在するユーザのグループに割り当てられる(ステップS107)。
ここで、利用可能なサブアレーの組み合わせと直交ビームの方向との関係について、具体的に例を挙げて説明する。図6は、4個のサブアレーによって生成されるビーム間の位相関係を説明する図である。すなわち、図6上段に示すように、アナログ処理部140−1〜140−4に対応するサブアレー#1〜#4によって4つのビーム201〜204が生成される場合には、サブアレーごと及びビームごとの位相は、図6下段に示す表のようになる。
図6下段の表からわかるように、例えば第1ビーム201と直交する第2ビーム202を生成するためには、第1ビーム201と第2ビーム202の位相差の差がπに等しいサブアレー#1、#3の組み合わせ又はサブアレー#2、#4の組み合わせを用いれば良い。すなわち、位相差が反転する2個のサブアレーを用いることにより、第1ビーム201が第2ビーム202に干渉しないとともに、第2ビーム202が第1ビーム201に干渉せず、第1ビーム201と第2ビーム202を直交させることができる。
同様に、例えば第1ビーム201と直交する第3ビーム203を生成するためには、第1ビーム201と第3ビーム203の位相差の差がπ又は3πに等しいサブアレー#1、#2の組み合わせ、サブアレー#2、#3の組み合わせ、サブアレー#3、#4の組み合わせ又はサブアレー#4、#1の組み合わせを用いれば良い。すなわち、位相差が反転する2個のサブアレーを用いることにより、第1ビーム201が第3ビーム203に干渉しないとともに、第3ビーム203が第1ビーム201に干渉せず、第1ビーム201と第3ビーム203を直交させることができる。
このようにサブアレー間符号化によってビームを生成する場合には、複数のビームを直交させることができるサブアレーの組み合わせがある。この組み合わせは、上述した条件(A)を満たす組み合わせであり、利用サブアレー数Mとサブアレー間隔Kとによって定義される。ただし、利用サブアレー数Mは、サブアレーの総数Lの約数である。
条件(A)において、利用可能なサブアレーに応じた利用サブアレー数Mとサブアレー間隔Kとが決定されれば、このサブアレーの組み合わせによって生成可能な直交ビームの方向が決定される。そこで、サブアレー割当部164によって、直交ビームの方向にユーザが存在するか否かが判定され、ユーザが存在する直交ビームの数が最大となるように、このユーザのグループにサブアレーの組み合わせが割り当てられる。
1つのグループにサブアレーの組み合わせが割り当てられると、残りのサブアレーの組み合わせについても同様の処理が繰り返され、順次、各グループのユーザにサブアレーの組み合わせが割り当てられる。そして、利用可能なサブアレーの組み合わせでサブアレー間符号化をしても、ユーザが存在する複数の方向へ直交ビームを生成することが困難となると、サブアレー割当部164によって、1ユーザに対して1個のサブアレーが割り当てられる。
図5に戻って、サブアレー割当部164によるサブアレーの割り当てが完了すると、アナログ重み係数算出部165及びデジタル重み係数算出部166によって、サブアレーが割り当てられた各グループについての重み係数が算出される(ステップS108)。そして、アナログ重み係数算出部165によって算出された重み係数wa1〜waNは、フェーズシフタ120へ出力され、それぞれのアンテナ素子110−1〜110−Nに設定される。また、デジタル重み係数算出部166によって算出された重み係数は、重み付け処理部167へ出力され、ユーザごとの重み係数が設定される(ステップS109)。
以後、サブアレーが割り当てられた各グループのユーザとの間で同時に信号の送受信が行われる。換言すれば、サブアレーの組み合わせが割り当てられたグループのユーザに対しては、サブアレー間符号化によって生成されたビームで信号が送受信され、1個のサブアレーが割り当てられたユーザに対しては、このサブアレーによって生成されたビームで信号が送受信される。したがって、異なるグループに属するユーザに対して、サブアレー間符号化を含むビーム制御をしながら同時に信号を送受信することができ、同時に通信可能なユーザ数を最大化してスループットを向上することができる。
次に、重み係数算出処理の具体例について図6を参照しながら説明する。図6は、サブアレーが割り当てられたグループごとの重み係数算出処理の具体例を示すフロー図である。
まず、グループがサブアレー間符号化をするために複数のサブアレーが割り当てられたグループであるか否かが判定される(ステップS201)。このグループが複数のサブアレーではなく1個のサブアレーが割り当てられたグループである場合には(ステップS201No)、グループ内の1ユーザに関する到来方向に応じた重み係数がアナログ重み係数算出部165及びデジタル重み係数算出部166によって算出される(ステップS206)。
一方、グループが複数のサブアレーが割り当てられたグループである場合には(ステップS201Yes)、グループに割り当てられたM個のサブアレーで生成される直交ビームの方向に存在するM人のユーザが同時に通信するユーザに決定される(ステップS202)。つまり、M個の直交ビームそれぞれの方向から1人ずつ、同時に通信するユーザが選択される。
そして、決定されたM人のユーザに関する写像について、基準ユーザに関する写像を基準とした誤差の平均が算出される(ステップS203)。すなわち、各ユーザに関する写像は、基準ユーザに関する写像から、アンテナ素子110−1〜110−Nによってビームを生成することが可能な範囲の写像をL等分した間隔と許容される誤差との合計分だけ離れている。そこで、アナログ重み係数算出部165によって、この誤差の平均が算出され、基準ユーザに関する写像と誤差の平均との合計に対応する方向にビームを向けるための重み係数が算出される(ステップS204)。換言すれば、M人のユーザについて、以下の式(10)によって、上式(2)の誤差Δxの平均yが算出される。
Figure 0006926702
そして、アナログ重み係数算出部165によって、以下の式(11)によって、グループに割り当てられたサブアレーのアンテナ素子用の重み係数が算出される。
Figure 0006926702
ただし、上式(11)において、eは自然対数の底、jは虚数単位、dはアンテナ素子間の間隔、λは電波の波長、sinαは基準ユーザに関する写像をそれぞれ示している。式(11)によって算出される重み係数は、基準ユーザの方向から誤差の平均分だけずれた方向へビームを向けるための重み係数である。
アナログの重み係数が算出されると、デジタル重み係数算出部166によって、各ユーザに対応する重み係数が算出される(ステップS205)。デジタルの重み係数は、基準ユーザに関する写像と各ユーザに関する写像との差分に対応し、各ユーザの重み係数Wmは、以下の式(12)によって表すことができる。
Figure 0006926702
ただし、上式(12)において、wはDA/AD変換部150−mに対応するサブアレーの重み係数を示し、lkはユーザkに関する写像と基準ユーザに関する写像との差分に対応する値を示す。すなわち、正弦による写像空間において、ユーザkに関する写像は、ビームを生成することが可能な範囲の写像をL等分した間隔のlk倍だけ基準ユーザに関する写像から離れている。
このように、サブアレー間符号化の対象となるグループのユーザに対しては、基準ユーザの方向からグループ内の誤差の平均だけずれた方向に向くビームを生成する重み係数をアナログの重み係数として算出し、各ユーザの基準ユーザとの差分に相当する重み係数をデジタルの重み係数として算出することができる。
以上の重み係数算出により、サブアレー間符号化の対象となるグループのユーザとそれぞれ1個のサブアレーが割り当てられたユーザとに対して同時に通信することが可能となり、同時に通信するユーザ数を最大化することができる。
具体的に、例えばサブアレーの総数が4である場合の同時に通信可能なユーザ数を図8に示す。なお、ここではサブアレーの総数が4であるため、同時に通信可能な最大のユーザ数も4である。
パターン1では、4ユーザがすべて第1グループに属するため、すべてのサブアレーを利用したサブアレー間符号化により、第1グループの4ユーザに対するビームを同時に生成する。これにより、4ユーザと同時に通信することができる。
パターン2では、3ユーザが第1グループに属し、残りの1ユーザが第1グループに属さないため、すべてのサブアレーを利用したサブアレー間符号化により、第1グループに属する3ユーザに対するビームを同時に生成する。これにより、3ユーザと同時に通信することができる。
パターン3では、2ユーザが第1グループに属し、残りの2ユーザが同一グループに属さないため、第1グループに対して2個のサブアレーを割り当ててサブアレー間符号化を行い、残りの2ユーザそれぞれに1個ずつサブアレーを割り当てる。これにより、第1グループに属する2ユーザとグループに属さない2ユーザとに対するビームを同時に生成することができる。これにより、4ユーザと同時に通信することができる。
このパターン3については、4個のサブアレーすべてを用いたサブアレー間符号化では、第1グループに属する2ユーザと同時に通信することしかできず、異なるグループのユーザにそれぞれ1個のサブアレーを割り当てる場合には、グループが異なる3ユーザと同時に通信することしかできない。これに対して、本実施の形態のサブアレー割り当てを実行することにより、上述したように、4ユーザと同時に通信することができる。
すなわち、例えば図9(a)に示すように、第1のグループ#1に属するユーザA、Bに対してサブアレー間符号化によるビームを生成し、グループ#3に属するユーザCとグループ#4に属するユーザDとに対しては、それぞれ1個のサブアレーによってビームを生成する。また、ユーザA、Bに対しては、サブアレー間符号化によってビームが生成されるため、複数のサブアレーを用いてビームを生成することによる利得が得られ、ユーザC、Dよりも高い強度のビームを向けることができる。
パターン4では、2ユーザが第1グループに属し、残りの2ユーザが同一の第2グループに属するため、第1グループに対して2個のサブアレーを割り当ててサブアレー間符号化を行い、可能であれば第2グループに対しても2個のサブアレーを割り当ててサブアレー間符号化を行う。これにより、第1グループに属する2ユーザと第2グループに属する少なくとも1ユーザとに対するビームを同時に生成することができる。これにより、少なくとも3ユーザと同時に通信することができる。
このパターン4については、4個のサブアレーすべてを用いたサブアレー間符号化では、第1グループに属する2ユーザと同時に通信することしかできず、異なるグループのユーザにそれぞれ1個のサブアレーを割り当てる場合には、グループが異なる2ユーザと同時に通信することしかできない。これに対して、本実施の形態のサブアレー割り当てを実行することにより、上述したように、少なくとも3ユーザと同時に通信することができる。
すなわち、例えば図9(b)に示すように、第1のグループ#1に属するユーザA、Bが隣接するビームの方向に位置し、かつ、第2のグループ#3に属するユーザC、Dが隣接するビームの方向に位置する場合には、それぞれのグループに1個おきのサブアレーを割り当てることが可能である。このため、2つのグループそれぞれについて2個のサブアレーを用いたサブアレー間符号化を実行することができ、4ユーザと同時に通信することができる。
一方、例えば図9(c)に示すように、第1のグループ#1に属するユーザA、Bが隣接するビームの方向に位置し、かつ、第2のグループ#3に属するユーザC、Dが1つおきのビームの方向に位置する場合には、両グループに対して同時にサブアレー間符号化のためのサブアレーを割り当てることができない。このため、いずれか一方のグループについて2個のサブアレーを用いたサブアレー間符号化を実行し、他方のグループの1ユーザに1個のサブアレーを割り当てる。この結果、3ユーザと同時に通信することができる。
パターン5では、4ユーザがすべて同一グループに属さないため、ユーザごとに異なるサブアレーを利用して、各ユーザに対するビームを同時に生成する。これにより、4ユーザと同時に通信することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、ユーザの位置に応じて複数のユーザをグループ分けし、一部のグループのユーザには複数のサブアレーを割り当ててサブアレー間符号化し、他のグループのユーザにはそれぞれ1個のサブアレーを割り当ててビームを生成する。このため、異なるグループに属するユーザに対して、サブアレー間符号化を含むビーム制御をしながら同時に信号を送受信することができ、同時に通信可能なユーザ数を最大化してスループットを向上することができる。
110−1〜110−N アンテナ素子
120 フェーズシフタ
130 接続スイッチ
140−1〜140−L アナログ処理部
150−1〜150−L DA/AD変換部
160 プロセッサ
161 到来方向推定部
162 写像算出部
163 グループ生成部
164 サブアレー割当部
165 アナログ重み係数算出部
166 デジタル重み係数算出部
167 重み付け処理部
168 信号処理部

Claims (7)

  1. 複数のアンテナ素子と当該複数のアンテナ素子における送信信号又は受信信号に対して所定のアナログ処理を施すアナログ処理部とをそれぞれ備える複数のサブアレーと、
    前記複数のサブアレーに接続されるプロセッサとを有し、
    前記プロセッサは、
    複数のユーザから送信された信号の到来方向を推定し、
    推定された到来方向を示す角度の三角関数による写像を算出し、
    算出された写像に基づいて、前記複数のユーザが属する複数のグループを生成し、
    前記複数のサブアレーに含まれる一部のサブアレーの組み合わせであって、互いに干渉しない指向性ビームを生成するサブアレーの組み合わせをグループごとに割り当て、
    グループごとに割り当てられたサブアレーを用いて、各グループに属するユーザの方向へ指向性ビームを生成するための重み係数を決定する
    処理を実行することを特徴とする無線通信装置。
  2. 前記割り当てる処理は、
    前記複数のサブアレーによって生成可能な複数の指向性ビームに対して端から順に付与されたビーム番号と、前記複数のサブアレーに対して端から順に付与されたサブアレー番号とに基づいて、各グループに割り当てるサブアレーの組み合わせを決定することを特徴とする請求項1記載の無線通信装置。
  3. 前記割り当てる処理は、
    同一グループに属するユーザに関する信号の到来方向に対応するビーム番号k,lと、前記複数のサブアレーの数Lと、前記サブアレーの組み合わせに含まれるサブアレーの数Mと、前記サブアレーの組み合わせに含まれるサブアレーのサブアレー番号の差Kとが以下の条件を満たすように、各グループに割り当てるサブアレーの組み合わせを決定する
    Figure 0006926702
    ことを特徴とする請求項2記載の無線通信装置。
  4. 前記割り当てる処理は、
    ユーザが存在する複数の方向へ互いに干渉しない指向性ビームを生成するサブアレーの組み合わせがない場合、未割り当てのサブアレーを1つずつ前記ユーザに割り当てることを特徴とする請求項1記載の無線通信装置。
  5. 前記決定する処理は、
    サブアレーごとの複数のアンテナ素子それぞれに重み付けする第1の重み係数を算出し、
    グループごとのユーザそれぞれへ送信される送信信号又はグループごとのユーザそれぞれから受信される受信信号に重み付けする第2の重み係数を算出する
    ことを特徴とする請求項1記載の無線通信装置。
  6. 前記生成する処理は、
    前記算出する処理に用いられる三角関数の写像空間において、前記複数のサブアレーすべてによって指向性ビームを形成可能な範囲を前記複数のサブアレーの数で等分した間隔の整数倍だけ互いに離れたユーザを同一のグループとすることを特徴とする請求項1記載の無線通信装置。
  7. 複数のアンテナ素子と当該複数のアンテナ素子における送信信号又は受信信号に対して所定のアナログ処理を施すアナログ処理部とをそれぞれ備える複数のサブアレーを有する無線通信装置が実行するビーム制御方法であって、
    複数のユーザから送信された信号の到来方向を推定し、
    推定された到来方向を示す角度の三角関数による写像を算出し、
    算出された写像に基づいて、前記複数のユーザが属する複数のグループを生成し、
    前記複数のサブアレーに含まれる一部のサブアレーの組み合わせであって、互いに干渉しない指向性ビームを生成するサブアレーの組み合わせをグループごとに割り当て、
    グループごとに割り当てられたサブアレーを用いて、各グループに属するユーザの方向へ指向性ビームを生成するための重み係数を決定する
    ことを特徴とするビーム制御方法。
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