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

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ｗ_a1〜ｗ_aN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ｗ_a1〜ｗ_aN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ｗ_an（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。

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ｗ_a1〜ｗ_aN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ｗ_a1〜ｗ_aN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ｗ_a1〜ｗ_aNをアナログ重み係数算出部１６５から取得し、この重み係数ｗ_a1〜ｗ_aN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。

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。

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。

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、ｗ_i,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θ_l方向のビームは、以下の式（４）のようになる。

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、θ_l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ｗ_i,nは以下のようになる。

これを上式（４）に代入すると、以下の式（５）が得られる。

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。

いま、Ｋ個間隔のサブアレーＭ個を利用してθ_l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。

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、θ_l方向に強いビームを向けるためには、

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。

このとき、θ_k方向のビームは、以下の式（９）となる。

θ_l方向に強いビームを生成しても、θ_k方向に干渉を与えないようにするためには、上式（９）のｖ(θ_k)＝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ｗ_a1〜ｗ_aN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ｗ_a1〜ｗ_aN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ｗ_a1〜ｗ_aN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ｗ_a1〜ｗ_aN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。

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。

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Ｗ_mは、以下の式（１２）によって表すことができる。

ただし、上式（１２）において、ｗ_ｍ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、ｌ_k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ｌ_k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
   

   

   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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