JP2005244854A - 無線通信装置及びアレーアンテナ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを適切に制御することにより、消費電力の削減の向上を図る。
【解決手段】 複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを具備する無線通信装置の総送信電力を取得し（ステップＳ３）、該取得された総送信電力に応じてアンテナ素子の使用数を切り替える（ステップＳ４〜Ｓ６）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備えた無線通信装置及びアレーアンテナ制御方法に関する。

従来より、無線通信装置は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備えてアダプティブ制御などを行うことにより、通信相手の受信に対してアレー利得を与え、自己の送信電力を該アレー利得分だけ低減するようにしている。これにより、無線通信装置の消費電力を削減する効果が期待されている。
又、複数のアンテナを使用する携帯端末については、例えば特許文献１に開示されている。
特開２００３−３２１７７号公報

しかし、上述した従来の無線通信装置では、アレーアンテナを備えたことによりアンテナ素子の増加数分だけ送信回路（送信アンプ等）も増加し、また、アダプティブ制御等のアレーアンテナ制御用の回路も追加される。このため、上記したアレー利得分の電力削減量がそれら追加回路の消費電力により相殺されたり、さらには追加回路の消費電力がアレー利得分の電力削減量を上回ってしまい、消費電力の削減効果が期待できない場合が生じる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを適切に制御することにより、消費電力の削減の向上を図ることができる無線通信装置及びアレーアンテナ制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の無線通信装置は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを具備する無線通信装置において、送信電力に応じて前記アンテナ素子の使用数を切り替える切替制御手段を備えたことを特徴としている。

請求項２に記載の無線通信装置においては、前記アンテナ素子の使用数に基づいて送信回路の未使用部分の動作を停止することを特徴とする。

請求項３に記載の無線通信装置においては、前記アレーアンテナを適応的に制御するアレー制御手段を備え、前記アンテナ素子の使用数に基づいて前記アレー制御手段の未使用部分の動作を停止することを特徴とする。

請求項４に記載の無線通信装置においては、送信電力と消費電力との対応関係に基づいて前記アンテナ素子の使用数を切り替える送信電力条件が設定されることを特徴とする。

請求項５に記載の無線通信装置においては、前記送信電力条件の合致の判断の際にヒステリシス特性を持たせたことを特徴とする。

請求項６に記載の無線通信装置においては、送信電力と相関がある項目を測定する測定手段を備え、前記測定値を総送信電力に代用することを特徴とする。

請求項７に記載のアレーアンテナ制御方法は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを具備する無線通信装置におけるアレーアンテナ制御方法であって、前記無線通信装置の送信電力を取得する過程と、前記取得された送信電力に応じて前記アンテナ素子の使用数を切り替える過程とを含むことを特徴としている。

請求項８に記載のアレーアンテナ制御方法は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを具備する無線通信装置におけるアレーアンテナ制御方法であって、前記無線通信装置の送信電力と相関がある項目を測定する過程と、前記測定値に応じて前記アンテナ素子の使用数を切り替える過程とを含むことを特徴としている。

請求項９に記載のアレーアンテナ制御方法においては、前記アンテナ素子の使用数に基づいて送信回路の未使用部分の動作を停止する過程をさらに含むことを特徴とする。

請求項１０に記載のアレーアンテナ制御方法においては、前記アレーアンテナを適応的に制御する過程と、前記アンテナ素子の使用数に基づいて前記アレー制御手段の未使用部分の動作を停止する過程とをさらに含むことを特徴とする。

請求項１１に記載のアレーアンテナ制御方法においては、送信電力と消費電力との対応関係に基づいて前記アンテナ素子の使用数を切り替える送信電力条件が設定されることを特徴とする。

請求項１２に記載のアレーアンテナ制御方法においては、前記送信電力条件の合致の判断の際にヒステリシス特性を持たせることを特徴とする。

本発明によれば、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナの使用数を送信電力に応じて切り替えることにより、アレーアンテナを適切に制御することができ、この結果として無線通信装置の消費電力を削減する効果を高めることが可能となる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施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。なお、図１には、無線通信装置の構成のうち、無線送信機能に係る構成を示し、その他の構成は省略している。

図１において、無線通信装置は２つのアンテナ素子１−１，２からなるアレーアンテナを備えている。送信信号生成・ベースバンド処理部４は、送信ベースバンド信号及び送信電力値を出力する。送信信号は各送信部２−１，２に入力され、それぞれ変調される。アレー制御部３は、アレー制御要因と送信電力値に基づいて、例えば送信アダプティブアレーアンテナや最大比合成ダイバーシティなど適応的（動的）にアンテナ指向性、振幅・位相の重み付けを行うための重み値を算出し、各送信部２−１，２へ出力する。各送信部２−１，２は、その重み値により送信信号に対して重み付けを行う。これら重み付けされた送信信号は各々の送信部２−１，２における送信アンプにより、必要な送信電力にまで増幅された後、各々のアンテナ素子１−１，２から無線送信される。
なお、送信信号生成・ベースバンド処理部４は、送信電力値の代わりに、送信電力を指定する信号を出力するものであってもよい。すなわち、送信電力を特定する情報であればよい。

上記した送信部２−１，２及びアレー制御部３は、電源部７から電源供給を受けて動作する。
比較部６は、送信電力値と閾値記憶部５に記憶されているアンテナ構成選択閾値とを比較し、この比較結果を出力する。この実施例では、送信電力値がアンテナ構成選択閾値を超えている場合に、比較部６の出力がアクティブとなる。そして、比較部６の出力がアクティブである場合には、スイッチＳＷ２及びＳＷ３が閉じ、送信部２−２及びアレー制御部３へ電源が供給される。さらに、スイッチＳＷ１により送信部２−１とアレー制御部３とが接続され、アレー制御部３から送信部２−１へ重み値が入力される。

一方、比較部６の出力がインアクティブである場合には、スイッチＳＷ２及びＳＷ３が開放し、送信部２−２及びアレー制御部３への電源を断する。さらに、スイッチＳＷ１が切り替わり、送信信号生成・ベースバンド処理部４からの送信電力値が直接に送信部２−１へ入力される。

次に、図２を参照して、本実施形態に係るアレーアンテナ制御方法を説明する。
図２は、本実施形態に係るアレーアンテナ制御手順を示すフローチャートである。図２において、先ず、アンテナ構成選択閾値が設定される（ステップＳ１）。このアンテナ構成選択閾値は閾値記憶部５に記憶される。なお、アンテナ構成選択閾値の設定方法については後述する。次いで、無線通信状態が通信中であるか否かを判断する（ステップＳ２）。この判断の結果、無線通信状態が通信中である場合には、通信中の期間、ステップＳ３〜Ｓ７の処理を繰り返す。

ステップＳ３では、無線通信装置の総送信電力を表す送信電力値もしくは該総送信電力に相当する値を取得する。具体的には、送信信号生成・ベースバンド処理部４から送信電力値が出力される。次いで、ステップＳ４では、比較部６により送信電力がアンテナ構成選択閾値を超えているか否かを判断する。この結果、送信電力がアンテナ構成選択閾値を超えている場合には、ステップＳ５に進み、比較部６の出力をアクティブとしてスイッチＳＷ２及びＳＷ３を閉じ、送信部２−２及びアレー制御部３へ電源を供給する。さらに、スイッチＳＷ１により送信部２−１とアレー制御部３とを接続し、アレー制御部３から送信部２−１へ重み値を入力する。この状態では、アレー制御が行われ、２つのアンテナ素子１−１，２によりそれぞれ重み付けされた送信信号が無線送信される。これは、アレーアンテナ送信であり、アレー利得が得られる。

一方、送信電力がアンテナ構成選択閾値以下である場合には、ステップＳ６に進み、比較部６の出力をインアクティブとしてスイッチＳＷ２及びＳＷ３を開放し、送信部２−２及びアレー制御部３への電源を断する。さらに、スイッチＳＷ１を切り替え、送信信号生成・ベースバンド処理部４からの送信電力値を直接に送信部２−１へ入力する。この状態では、１つのアンテナ素子１−１のみにより、送信信号が重み付けされることなく、無線送信される。これは、単アンテナ送信であり、送信部２−２及びアレー制御部３の電力消費がなくなる。

次いで、無線通信状態が通信中でなくなると、処理の継続か否かを判断し、継続する場合にはステップＳ２へ戻り、継続しない場合には終了する（ステップＳ８）。

次に、上記したアンテナ構成選択閾値の設定方法を説明する。
アレーアンテナを用いて無線送信を行う場合、送信電力の大きさによりアレー利得による消費電力削減効果が得られるときと得られないときがある。図３は、送信電力の大小の別に、単アンテナ送信とアレーアンテナ送信とによる消費電力を比較した説明図である。

図３において、無線通信装置の消費電力には送信電力の減少に伴って少なくなる成分（図３中の「送信電力に依存する消費電力」）と、送信電力とは無関係に消費される成分（図３中の「送信電力以外の送信部消費電力」、「送信部以外の消費電力」、「アレー制御部消費電力」）とがある。

そして、送信電力が大きい場合は、無線通信装置全体の消費電力に占める「送信電力に依存する消費電力」の割合が大きい。このため、アレーアンテナ送信によりアレー利得を得れば送信電力の削減量を大きく取れるので、アレーアンテナ送信したことによる消費電力増加分をカバーすることができる。この結果、単アンテナ送信するよりも無線通信装置全体の消費電力が小さくなり、アレー利得による消費電力削減効果が得られる。

例えば、図１の無線通信装置のアダプティブ制御により平均３ｄＢ（２倍）程度のアレー利得を得ることができる場合、この無線通信装置が送信する電力の総和はアレーアンテナを用いない構成（単アンテナ構成）に比べて３ｄＢ小さく（１／２倍に）なる。なお、このときの送信アンプ１つ分（アンテナ１素子分）の送信電力は、アレーアンテナを用いないときの送信アンプ１つ分よりも６ｄＢ小さく（１／４倍に）なる。

一方、送信電力が小さい場合は、無線通信装置全体の消費電力に占める「送信電力に依存する消費電力」の割合が小さいため、アレーアンテナ送信によりアレー利得を得ても送信電力の削減量が小さく、アレーアンテナ送信したことによる消費電力増加分をカバーしきれない。この結果、単アンテナ送信するよりも無線通信装置全体の消費電力が大きくなり、アレー利得による消費電力削減効果が得られない。したがって、アレーアンテナを適用せず、単アンテナ送信した方が消費電力を少なくすることができる。

そこで、上記した送信電力の大きさによりアレー利得による消費電力削減効果が得られるときと得られないときがあるという点に着目し、その境界となる送信電力をアンテナ構成選択閾値として採用する。これにより、アレー利得による消費電力削減効果が得られる送信電力範囲ではアレーアンテナ送信を行ってアレー利得により消費電力を削減し、一方、アレー利得による消費電力削減効果が得られない送信電力範囲では単アンテナ送信を行ってアレーアンテナ用回路による消費電力の増加を防ぎ、消費電力を低く抑えることができる。この結果、無線通信装置の消費電力の削減を向上させることができる。

図４は、アレーアンテナ送信と単アンテナ送信のそれぞれの消費電力特性を比較するためのグラフ図である。アレーアンテナ送信の構成は、アンテナ素子数が２であり、アレー制御により平均３ｄＢのアレー利得が得られ、送信アンプ１つ分（アンテナ１素子分）の送信電力はアレーアンテナを用いないときの送信アンプ１つ分よりも６ｄＢ小さい。単アンテナ送信の構成は、アンテナ素子数が１でありアレー制御なしである。また、グラフの縦軸は無線通信装置の消費電力を示しており、アンテナ１素子分の送信電力が最大の時の消費電力を１００％として規格化してある。横軸はアレー利得を含めた送信電力を示している。なお、無線通信装置の消費電力は送信部の消費電力に一定値を加算することにより得られるとすれば、各構成による消費電力の大小関係は送信部のみと同じである。また、アレーアンテナ送信の消費電力特性は、アレー利得により３ｄＢ削減された送信電力を２本のアンテナに割り振り、アンテナ素子数分である２つの送信部の消費電力を合わせたものである。

図４において、単アンテナ送信の消費電力特性は、送信電力が最大のときに消費電力も最大となる。そして、送信電力が減少することにより消費電力も減少するが、送信電力に関係なく消費される成分（送信アンプ暗電流、ＩＦ回路、位相制御器、変調器等)が有るために、当該消費電力特性はある消費電力値への漸近線となる。なお、この例は、送信アンプによる送信電力に応じて常に最適な電源電圧を供給することにより送信アンプが持つ暗電流を最小に抑えている。

そして、図４では、アレーアンテナ送信の消費電力特性は、ある送信電力（−７ｄＢ付近）を境界にして、送信電力が大きい範囲では単アンテナ送信よりも消費電力が小さく、送信電力が小さい範囲では単アンテナ送信の方が消費電力が小さい。したがって、その境界付近の送信電力をアンテナ構成選択閾値として設定すればよい。

上述した実施形態によれば、無線通信装置の総送信電力に応じてアレーアンテナ送信と単アンテナ送信とを切り替えることにより、アレーアンテナ送信による消費電力削減効果が得られない場合には低消費電力の単アンテナ送信を行うことができる。これにより、消費電力の削減の向上を図ることが可能となる。

また、アンテナ素子の使用数に応じて送信部及びアレー制御部の未使用部分の動作を停止させることにより、無線通信装置からの不要波の発生を軽減することができる。

次に、第２の実施形態を説明する。
図５は、本発明の第２の実施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。この図５において図１の各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を省略する。
図５の構成においては、測定部１１を設け、この測定値とアンテナ構成選択閾値とを比較し、この比較結果によりＳＷ１〜３を制御してアレーアンテナ送信と単アンテナ送信を切り替える。測定部１１の測定項目は、送信電力と相関がある項目である。例えば、実際の送信電力、送信部の消費電流、送信部への供給電圧、送信部の温度などである。そして、アンテナ構成選択閾値には、測定項目に対応した値を使用する。これにより、上記した第１の実施形態のように総送信電力を表す送信電力値を取得することができない場合においても本発明を適用することが可能となる。

なお、測定部１１は、アンテナ構成選択閾値との比較を行う値として、測定値の瞬時値を使用してもよく、あるいは時間平均した値を使用してもよい。

また、複数の測定項目の測定値と各々対応するアンテナ構成選択閾値とを比較し、これら比較結果を総合してアレーアンテナ送信と単アンテナ送信の切り替えを行うようにしてもよい。

なお、本発明に係る送信電力が変動する無線通信装置としては、例えばＣＤＭＡ（符号分割多元接続）方式（ＩＳ−９５等）の移動通信端末が知られている。この移動通信端末は、通信相手である無線基地局に到達する電力が一定となるように送信電力を変動する。そして、アレーアンテナ送信を行うことにより、通信相手のＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）を有効に確保して自己の送信電力を低減し、これにより移動通信端末の消費電力の削減を図っている。この移動通信端末に本発明を適用することにより移動通信端末の消費電力をさらに削減することができ、電池寿命が延びる等の効果が得られる。

また、本発明は、上記したＣＤＭＡシステムの他に、送信電力が制限される状況で使用される無線通信装置にも適用可能である。例えば、生命、医療、通信及び観測等に係るシステムやその他の環境に対する影響が危惧される場合などに、無線通信装置の送信電力を特定の場所で制限するような状況下で使用される無線通信装置にも適用することができる。

また、無線通信装置は双方向通信に対応するものであっても、単一方向通信に対応するものであってもよい。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、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。
例えば、アンテナ構成選択閾値との比較の判断の際にヒステリシス特性を持たせるようにしてもよい。これにより、過渡期における動作の不安定性を解消することができる。また、アンテナ構成選択閾値に要求される精度を緩和することができる。

また、アレーアンテナ送信時と単アンテナ送信時のそれぞれの消費電力の履歴を記録し、この履歴から最良のアンテナ構成選択閾値を選択するようにしてもよい。そして、その選択動作が一定周期よりも頻繁に発生しないように制御することが好ましい。

また、３つ以上のアンテナ素子からなるアレーアンテナを具備する無線通信装置に対しても、送信電力に応じてアンテナ素子の使用数を切り替えることにより同様に適用することができる。

本発明の第１の実施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。 本発明に係るアレーアンテナ制御手順を示すフローチャートである。 送信電力の大小の別に、単アンテナ送信とアレーアンテナ送信とによる消費電力を比較した説明図である。 アレーアンテナ送信と単アンテナ送信のそれぞれの消費電力特性を比較するためのグラフ図である。 本発明の第２の実施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。

符号の説明

１−１，２…アンテナ素子、２−１，２…送信部、３…アレー制御部、４…送信信号生成・ベースバンド処理部、５…閾値記憶部、６…比較部、７…電源部、１１…測定部、ＳＷ１〜３…スイッチ。

Claims (12)

1. 複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを具備する無線通信装置において、
   総送信電力に応じて前記アンテナ素子の使用数を切り替える切替制御手段を備えたことを特徴とする無線通信装置。
2. 前記アンテナ素子の使用数に基づいて送信回路の未使用部分の動作を停止することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記アレーアンテナを適応的に制御するアレー制御手段を備え、
   前記アンテナ素子の使用数に基づいて前記アレー制御手段の未使用部分の動作を停止することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線通信装置。
4. 総送信電力と消費電力との対応関係に基づいて前記アンテナ素子の使用数を切り替える送信電力条件が設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかの項に記載の無線通信装置。
5. 前記送信電力条件の合致の判断の際にヒステリシス特性を持たせたことを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
6. 送信電力と相関がある項目を測定する測定手段を備え、
   前記測定値を総送信電力に代用することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかの項に記載の無線通信装置。
7. 複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを具備する無線通信装置におけるアレーアンテナ制御方法であって、
   前記無線通信装置の総送信電力を取得する過程と、
   前記取得された総送信電力に応じて前記アンテナ素子の使用数を切り替える過程と、
   を含むことを特徴とするアレーアンテナ制御方法。
8. 複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを具備する無線通信装置におけるアレーアンテナ制御方法であって、
   前記無線通信装置の送信電力と相関がある項目を測定する過程と、
   前記測定値に応じて前記アンテナ素子の使用数を切り替える過程と、
   を含むことを特徴とするアレーアンテナ制御方法。
9. 前記アンテナ素子の使用数に基づいて送信回路の未使用部分の動作を停止する過程をさらに含むことを特徴とする請求項７または請求項８に記載のアレーアンテナ制御方法。
10. 前記アレーアンテナを適応的に制御する過程と、
    前記アンテナ素子の使用数に基づいて前記アレー制御手段の未使用部分の動作を停止する過程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかの項に記載のアレーアンテナ制御方法。
11. 総送信電力と消費電力との対応関係に基づいて前記アンテナ素子の使用数を切り替える送信電力条件が設定されることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれかの項に記載のアレーアンテナ制御方法。
12. 前記送信電力条件の合致の判断の際にヒステリシス特性を持たせることを特徴とする請求項１１に記載のアレーアンテナ制御方法。
    
    
    

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