WO2015030082A1 - アンテナ指向性制御システム - Google Patents

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WO2015030082A1
WO2015030082A1 PCT/JP2014/072498 JP2014072498W WO2015030082A1 WO 2015030082 A1 WO2015030082 A1 WO 2015030082A1 JP 2014072498 W JP2014072498 W JP 2014072498W WO 2015030082 A1 WO2015030082 A1 WO 2015030082A1
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directivity
antennas
directivity pattern
value
pattern
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PCT/JP2014/072498
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龍太 園田
井川　耕司
幸太郎 末永
稔貴 佐山
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旭硝子株式会社
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    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2605—Array of radiating elements provided with a feedback control over the element weights, e.g. adaptive arrays
    • H01Q3/2611—Means for null steering; Adaptive interference nulling
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
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    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
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    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H04B7/0837—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station using pre-detection combining
    • H04B7/0842—Weighted combining
    • H04B7/0848—Joint weighting

Definitions

  • the present invention relates to an antenna directivity control system.
  • a MIMO spatial multiplexing communication technique using multiple antennas is used.
  • radio wave propagation environments at terminals are diverse, and in reality, environments in which MIMO spatial multiplexing communication can be used are limited.
  • Non-Patent Document 1 discloses actual measurement data of the angle spread of an incoming wave in an urban area (Angle Spread). Even in an urban area with relatively many reflectors such as buildings, the angular spread of incoming waves is 30 ° or less, indicating that a sufficient multipath rich environment cannot be obtained.
  • Non-Patent Document 2 in addition to the MIMO spatial multiplexing mode, there are a total of nine transmission modes such as a beamforming mode, a transmission diversity mode, and a multiuser MIMO mode. Is set. A method is adopted in which a radio wave environment where a terminal is placed is measured based on a reference signal transmitted from a base station, and an appropriate transmission mode is selected.
  • Patent Document 1 discloses a directivity selection means for a directivity variable antenna as means for improving robustness against radio wave environment fluctuation in MIMO spatial multiplexing communication.
  • Patent Document 1 is a technique that considers the correlation between directivity patterns, and is premised on selecting only an antenna configuration having a low correlation between antennas. Therefore, although it can be used for MIMO spatial multiplexing communication, when a transmission mode other than MIMO spatial multiplexing communication is selected as described above, good communication performance cannot be realized.
  • an object of the present invention is to provide an antenna directivity control system capable of selecting an appropriate directivity pattern following a change in radio wave propagation environment.
  • an antenna directivity control system comprising setting means for setting a selected directivity pattern to the plurality of antennas.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an antenna directivity control system 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna directivity control system 10 is an antenna system mounted on the wireless communication apparatus 100, for example.
  • a mobile device itself or a communication device built in the mobile device can be given.
  • the mobile object include a portable terminal device, a vehicle such as an automobile, and a robot.
  • Specific examples of the mobile terminal device include electronic devices such as a mobile phone, a smartphone, and a tablet computer.
  • the antenna directivity control system 10 includes a plurality of antennas 11 and 12 whose directivities are variable, a signal processing circuit 30, a controller 31, and a plurality of directivity control circuits 21 and 22.
  • the two antennas 11 and 12 are antennas that can receive incoming radio waves (arrival waves) or transmit signals of the wireless communication device 100 and can control directivity.
  • the individual directivity patterns of the antennas 11 and 12 are dynamically and independently controlled by the corresponding directivity control circuits 21 and 22. It can be said that the directivity pattern selected in the antenna directivity control system 10 selects a combination of individual directivity patterns of the antennas 11 and 12. Note that the directivity patterns of the antennas 11 and 12 may be controlled by the two antennas 11 and 12 such as a phased array antenna without independently controlling the individual directivity patterns of the antennas 11 and 12, respectively.
  • Each of the plurality of antennas 11 and 12 may include a radiating element (antenna element) and an impedance control unit that controls the impedance of the radiating element so that directivity can be controlled.
  • the impedance control unit is, for example, a capacitance variable circuit that can adjust the capacitance, a reactance variable circuit that can adjust the reactance, or the like.
  • each of the antennas 11 and 12 may be constituted by a phased array antenna so that directivity can be controlled.
  • the signal processing circuit 30 is a circuit that processes a reception signal obtained by the antennas 11 and 12 receiving an incoming wave or processes a transmission signal of the wireless communication apparatus 100.
  • the signal processing circuit 30 is a circuit that performs high frequency processing such as amplification and AD conversion and baseband processing on the received signals obtained by the antennas 11 and 12, for example.
  • the signal processing circuit 30 includes measurement means for measuring the received signal quality related to the received signals of the antennas 11 and 12 and the channel quality related to the received signals of the antennas 11 and 12.
  • SINR Signal to Interference plus Noise Ratio
  • LTE Long Term Evolution
  • SIR Signal to Interference Ratio
  • RSSI Received Signal Strength Indicator
  • RSRP Reference Signal Received Power
  • RSRQ Reference Signal Received Quality
  • W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access
  • RSCP Receiveived Signal Code Power
  • channel quality related to the received signals of the antennas 11 and 12 channel information (CSI: Channel State Information), rank, and the like can be given.
  • the channel quality related to the reception signals of the antennas 11 and 12 may be another index depending on the communication method to which the antenna directivity control system 10 is applied.
  • CQI Channel Quality Indicator
  • PMI Pre-coding Matrix Indicator
  • RI Rank Indicator
  • the controller 31 selects a directivity pattern to be set for the antennas 11 and 12 from the directivity pattern candidates prepared and stored in the memory 32 in advance, and sends a control signal corresponding to the selected directivity pattern to the directivity control circuit 21. , 22 are output.
  • the directivity pattern candidates stored in the memory 32 in advance are pattern data for realizing a plurality of different directivity patterns independently for each of the antennas 11 and 12, and combinations of individual directivity patterns for the antennas 11 and 12 are used. It is data of.
  • the controller 31 is a microcomputer including a CPU, for example.
  • the memory 32 is a storage device provided inside or outside the controller 31.
  • the controller 31 sets the directivity pattern to be set to the antennas 11 and 12 from a plurality of prepared directivity pattern candidates in accordance with the measurement values of the reception signal quality and the channel quality measurement values regarding the reception signals of the antennas 11 and 12. It is an example of the selection means which selects.
  • the directivity control circuits 21 and 22 are an example of setting means for setting the directivity pattern selected by the controller 31 to the antennas 11 and 12 in accordance with a control signal commanded from the controller 31.
  • the directivity control circuits 21 and 22 include, for example, reactance variable circuits related to the antennas 11 and 12.
  • the directivity pattern set for the antennas 11 and 12 is selected from a plurality of directivity pattern candidates according to the measurement value of the received signal quality and the measurement value of the channel quality regarding the reception signals of the antennas 11 and 12.
  • Appropriate directivity patterns can be selected following changes in the radio wave propagation environment.
  • the measurement value of the received signal quality is Msq
  • the measurement value of the channel quality is Mcq.
  • the controller 31 compares the antennas 11 and 12 with respect to the directivity pattern selected when Mcq is less than the second threshold.
  • the controller 31 compares the antennas 11 and 12 with the directivity pattern selected when Mcq is greater than or equal to the second threshold.
  • a directivity pattern having a high correlation coefficient ⁇ e between them and a combined gain of the antennas 11 and 12 higher than a predetermined gain value is selected from the directivity pattern candidates in the memory 32.
  • the controller 31 compares the antennas 11 and 12 with respect to the directivity pattern selected when Mcq is equal to or greater than the second threshold value.
  • correlation coefficient [rho e between the high directivity pattern is selected from the directional pattern candidate in the memory 32.
  • the controller 31 compares the antennas 11 and 12 with the directivity pattern selected when Mcq is less than the second threshold.
  • a directivity pattern having a low correlation coefficient ⁇ e between them and a combined gain of the antennas 11 and 12 higher than a predetermined gain value is selected from the directivity pattern candidates in the memory 32.
  • the correlation coefficient ⁇ e between antennas based on the directivity pattern can be derived by, for example, Expression 1 (see, for example, Non-Patent Document 3).
  • Equation 1 it is assumed that two antennas having different directivities each have a sufficiently large cross polarization discrimination (XPD), and the directivity pattern of the vertical polarization component is dominant. Since the equation shown in the original document is complicated considering cross polarization, Equation 1 is simplified assuming only vertical polarization.
  • E 1 and E 2 are the antenna directivity of the complex electric field
  • P is the angular distribution of the incoming wave
  • k is the wave number
  • x is the phase difference between the antennas.
  • ⁇ represents an elevation angle
  • ⁇ represents an angle in a horizontal plane.
  • E 1 , E 2 , and P are functions of the angles ⁇ and ⁇ .
  • the angle distribution P ( ⁇ , ⁇ ) of the incoming wave is “Pt ( ⁇ ) ⁇ Pp ( ⁇ )”, Pt ( ⁇ ) is a normal distribution with respect to the elevation angle ⁇ , and Pp ( ⁇ ) is in the horizontal plane. A normal distribution with respect to the angle ⁇ is used.
  • the angle that is the average of the angle distribution P ( ⁇ , ⁇ ) of the incoming wave is referred to as the average arrival angle
  • the average arrival angle with respect to the elevation direction is mt
  • the average arrival angle with respect to the horizontal plane direction is mp.
  • the average angle of arrival represents from which direction there is a high probability that radio waves arriving from a plurality of directions will arrive.
  • the angle that is the standard deviation of the angle distribution P ( ⁇ , ⁇ ) of the incoming wave is referred to as angular spread, and the angular spread with respect to the elevation direction is ⁇ t, and the angular spread with respect to the horizontal plane direction is ⁇ p.
  • the angular spread indicates the degree of concentration of the arrival angles of a plurality of radio waves around the average arrival angle.
  • the correlation coefficient at each average arrival angle is calculated by arbitrarily changing the angle of the arrival wave, and the average correlation coefficient obtained by averaging them is applied.
  • the correlation coefficient represents a measure of correlation between antennas.
  • the channel capacity represents the density of signals that can be multiplexed without interference in a propagation channel of a certain frequency. If the channel capacity is high, the transmission speed can be improved by transmitting different information, and the SN ratio on the receiving side can be improved by transmitting the same information.
  • Equation 2 The channel capacity C when the transmission environment information on the transmission side is known and optimal transmission power allocation is possible is expressed by Equation 2.
  • ⁇ i is the i-th eigenvalue of the propagation matrix
  • M 0 represents the rank (rank) of the propagation matrix.
  • the channel capacity C is generally standardized by the characteristics of a single antenna, and ⁇ 0 represents the S / N ratio when received by a single antenna in a loss 1 propagation path.
  • ⁇ i represents the SN ratio in each unique path.
  • the arrival angle of each of the plurality of radio waves is generated with a random number
  • the propagation matrix was obtained by complex synthesis of each elementary wave.
  • the fluctuation of the propagation matrix due to fading was obtained by changing the initial phase of the elementary wave.
  • the initial phase of the elementary wave was uniformly distributed.
  • a propagation matrix at 50 points was calculated on the assumption that a moving body including an antenna is moving.
  • the average received power at 50 points when receiving with a single omnidirectional antenna was calculated, and the propagation matrix was normalized.
  • the channel capacity C calculated based on Equation 2 was used as the instantaneous channel capacity at 50 points.
  • An average communication performance index in a fading environment was a value (average channel capacity) obtained by averaging instantaneous channel capacities at 50 points.
  • the antenna directivity control system is a system that improves communication performance by performing control according to received signal quality and channel quality.
  • a change in channel quality that is, a change in a multipath environment
  • changing the angle spread of the arrival angle distribution can be used. Therefore, the average channel capacity at each average arrival angle was calculated by arbitrarily changing the incident angle of the arrival wave having the angular spread of different arrival angle distributions.
  • the maximum channel capacity that is the maximum value among the calculated average channel capacities is applied to the channel capacity in the present embodiment.
  • the channel capacity represents a communication performance index between antennas.
  • FIGS. 2 and 3 are graphs showing comparison data of channel capacities obtained when transmitting in the MIMO spatial multiplexing mode (MIMO mode) and when transmitting in the beamforming mode (BF mode) with the same directivity pattern. It is.
  • FIG. 2 is simulation data showing the relationship between SINR and channel capacity when the assumed value of the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is set to 100 °.
  • FIG. 3 is simulation data showing the relationship between SINR and channel capacity when the assumed value of the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is set to 10 °.
  • the average arrival angle mt of the angle distribution Pt ( ⁇ ) in the elevation angle direction of the incoming wave is set to 90 ° (zenith direction). Is 0 ° and the ground direction is 180 °), and the angular spread ⁇ t is 10 °.
  • the average arrival angle mp in the horizontal plane is changed from 0 ° to 330 ° at 30 ° intervals, and 12 types of average channel capacities are calculated.
  • the maximum channel capacity that is the maximum value of was obtained.
  • the assumed value of the angular spread ⁇ p is 100 ° in FIG. 2 and 10 ° in FIGS.
  • SINR Signal to Interference plus Noise Ratio
  • SINR is a ratio of received signal power to interference and noise power in consideration of interference of neighboring cells in a multi-cell environment.
  • Equation (2) shows analysis data of channel capacity with respect to SINR for each of the MIMO mode and the BF mode with respect to five directivity patterns having different correlation coefficients between antennas and low correlation coefficients. Note that the channel capacity here is calculated using Equation (2) assuming that there is no interference power.
  • the transmission mode is the MIMO mode and the BF mode. It shows that the channel capacity changes depending on the case. Since the correlation coefficient is performance as an antenna, the correlation coefficient is the same for the same directivity pattern.
  • the channel capacity in the MIMO mode is larger than the channel capacity in the BF mode even in the same SI pattern in the high SINR environment, and in the BF mode in the low SINR environment.
  • the channel capacity at is larger than the channel capacity in the MIMO mode.
  • the channel capacity in the MIMO mode when the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is large is larger than when the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is small.
  • the channel capacity in the BF mode when the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is small is larger than when the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is large.
  • the MIMO mode is a scheme in which a plurality of different information is simultaneously transmitted by a plurality of antennas, it is preferable that the correlation coefficient between the plurality of antennas is low. Therefore, the directivity pattern suitable for transmission in the MIMO mode is a directivity pattern having a low correlation coefficient between a plurality of antennas. In the case of the MIMO mode, good communication can be ensured in an environment where sufficient multipath can be obtained. Therefore, the lower the correlation coefficient, the better. The lower the correlation coefficient, the better. Good.
  • a directivity pattern suitable for BF mode transmission is a directivity pattern having a high correlation coefficient between a plurality of antennas and a high combined gain of the plurality of antennas.
  • FIG. 4 shows a total of 10 antennas in a low SINR environment, including five directivity patterns with different correlation coefficients between antennas and a low correlation coefficient and five directivity patterns with a high correlation coefficient.
  • simulation data of the channel capacity when transmitted in the BF mode is shown.
  • FIG. 4 is simulation data showing the relationship between SINR and channel capacity when the assumed value of the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is set to 10 °.
  • the channel capacity in the BF mode when the correlation coefficient between antennas is high is larger than when the correlation coefficient between antennas is low.
  • the angular spread ⁇ p in the horizontal plane can be evaluated by rank.
  • the rank is a value of a rank indicator (RI) that becomes the maximum data rate according to the channel state at the time of measurement, and represents the number of signal sequences that can be transmitted in parallel. That is, when the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is wide, the number of signal sequences that can be transmitted in parallel increases and the rank increases. Conversely, when the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is narrow, the number of signal sequences that can be transmitted in parallel decreases and the rank decreases.
  • RI rank indicator
  • the rank can be calculated as follows. In the LTE system, channel estimation is possible using Reference Signals transmitted from a base station. A correlation matrix is derived from the estimated channel matrix, and the rank (rank) of the correlation matrix is calculated.
  • the controller 31 selects a directivity pattern to be set for the antennas 11 and 12 based on the relationship shown in Table 1, for example, according to the SINR measurement value and the rank measurement value regarding the reception signals obtained by the plurality of antennas. It is preferable to do.
  • Table 1 shows an example of the directivity pattern selection method of the controller 31.
  • the SINR and rank are measured by the signal processing circuit 30, for example.
  • the controller 31 has a directivity pattern in which the correlation between the antennas 11 and 12 is lower than the directivity group A or C. (Directivity group D) is selected. If the measured value of the rank is 2 or more, it can be estimated that the actual environment surrounding the moving body is an environment in which the angular spread ⁇ p exceeds, for example, 30 ° (that is, an environment in which sufficient multipath can be obtained).
  • the controller 31 has a higher correlation between the antennas 11 and 12 than the directivity group D or B and A directivity pattern (directivity group A) having a maximum value of 12 combined gains higher than a predetermined gain value G1 is selected. If the measured value of the rank is 1, it can be estimated that the actual environment surrounding the moving body is an environment in which the angular spread ⁇ is, for example, 30 ° or less (that is, an environment in which sufficient multipath cannot be obtained and the signal is weak). .
  • the threshold value TH2 may be the same value as or different from the threshold value TH1.
  • the controller 31 when the measured value of SINR is equal to or greater than the predetermined threshold TH3 and the measured value of rank is 1, the controller 31 has a higher directivity in which the correlation between the antennas 11 and 12 is higher than the directivity group D or B.
  • a pattern (directivity group C) may be selected.
  • Multi-user MIMO mode (SDMA (Space-Division Multiple Access) mode) is a transmission method in which multiple terminals use the same frequency at the same time in one base station, and therefore the correlation coefficient between multiple antennas is high. Is preferred.
  • the multi-user MIMO mode (SDMA mode) is selected in this way in an environment with a high SINR and a small angular spread ⁇ p (that is, an environment in which sufficient multipath cannot be obtained but the signal is strong). It is possible to select a directivity pattern suitable for transmission on the network and increase the channel capacity.
  • the threshold value TH3 may be the same value as or different from the threshold value TH1.
  • the controller 31 has a lower correlation between the antennas 11 and 12 than the directivity group A or C and A directivity pattern (directivity group B) in which the maximum value of the combined gain of the antennas 11 and 12 is higher than a predetermined gain value G2 may be selected.
  • the transmit diversity mode is a method of selecting a high gain antenna among a plurality of antennas or combining and transmitting each received signal, the correlation coefficient between the plurality of antennas is low and the combined gain of the plurality of antennas is low.
  • the maximum value is preferably high.
  • this selection makes it suitable for transmission in the transmission diversity mode in an environment where the SINR environment is low and the angular spread ⁇ p is large (that is, an environment where a certain degree of multipath is obtained but the signal is weak).
  • the directivity pattern can be selected and the channel capacity can be increased.
  • the threshold value TH4 may be the same value as or different from the threshold value TH1.
  • the gain value G2 may be the same value as or different from the gain value G1.
  • Directivity patterns belonging to each of the plurality of directivity groups A, B, C, and D are directivity pattern candidates stored in the memory 32 in advance. Next, an example of creating directivity pattern candidates stored in advance in the memory 32 will be described.
  • FIG. 5 and 6 show an example of the shape of the directivity model pattern for creating directivity pattern candidates (in other words, directivity patterns that can be set for the antennas 11 and 12) stored in the memory 32 in advance.
  • FIG. Each figure conceptually shows a directivity pattern of a specific polarization component in the plane where the antennas 11 and 12 are provided, for example, a vertical polarization component in the XY plane.
  • the pattern data for determining the shape of each directional model pattern shown in the figure is data created in advance, and in the embodiment of the present invention, an array antenna model in which each of the antennas 11 and 12 is an array antenna is used.
  • the directivity control of the antennas 11 and 12 may be a model using a directivity control method using a parasitic element, a method using an impedance control element, or a model using a mechanical control method.
  • eight array antenna models 1 to 8 having different directivity patterns are created, and 64 antenna pairs are created by combining two of the array antenna models 1 to 8. These two array antenna models correspond to the antenna model of the antenna 11 and the antenna model of the antenna 12, respectively. Then, the direction of the main beam of each of the two antenna models configured for each of the 64 antenna pairs changes by 7 ( ⁇ 90 °, ⁇ 60 °, ⁇ 30 °, 0 °, 30 °, 60 °, 90).
  • the directivity model pattern that provides a predetermined channel capacity (for example, the top 10 channel capacities) is selected as a directivity pattern candidate stored in advance in the memory 32. Good.
  • the directivity pattern candidate belonging to the directivity group D is a model environment in which the transmission mode is set to the MIMO spatial multiplexing mode, the assumed SINR value is set to a predetermined threshold value TH1 or more, and the assumed rank value is set to 2 or more.
  • E D it is selected from the directional model pattern of 1792 ways.
  • a directivity model pattern having a predetermined channel capacity or more is selected as a directivity pattern candidate belonging to the directivity group D.
  • a directivity pattern candidate belonging to the directivity group A has a model environment E in which the transmission mode is set to BF mode, the assumed value of SINR is set to be less than a predetermined threshold value TH2, and the assumed value of rank is set to 1.
  • A is selected from 1792 directivity model patterns.
  • a predetermined channel capacity directional model pattern is selected as a directional pattern candidates belonging to directional group A. It should be noted that it is efficient and preferable to select one having a correlation coefficient between the antennas 11 and 12 higher than a predetermined value and a combined gain of the antennas 11 and 12 higher than the predetermined gain value G1.
  • the transmission mode is set to the multiuser MIMO mode (SDMA mode)
  • the assumed value of SINR is set to a predetermined threshold value TH3 or more
  • the assumed value of rank is set to 1.
  • the model environment E C set in it is selected from the directional model pattern of 1792 ways.
  • a directivity model pattern having a predetermined channel capacity or more is selected as a directivity pattern candidate belonging to the directivity group C.
  • the directivity pattern candidate belonging to the directivity group B has an environment in which the transmission mode is set to the transmission diversity mode, the assumed value of SINR is less than a predetermined threshold TH4, and the assumed value of rank is set to 2 or more.
  • E B it is selected from the directional model pattern of 1792 ways.
  • a predetermined channel capacity directional model pattern is selected as a directional pattern candidates belonging to directional group B. It is preferable that the correlation coefficient between the antennas 11 and 12 is lower than a predetermined coefficient value and that the combined gain of the antennas 11 and 12 is higher than the predetermined gain value G2.
  • Table 2 is a table exemplifying directivity pattern candidates belonging to the directivity group A stored in the memory 32 in advance.
  • the shape patterns A1, A2, A3, and A4 are four directivity model patterns selected as described above from 1792 directivity model patterns.
  • each of the angle patterns A1-1, A1-2,... A1-12 has a shape pattern that is the same in shape but different in only the peak gain direction.
  • the directivity pattern candidates belonging to the other directivity groups B, C, and D are stored in the memory 32 in advance. ⁇ Selection and setting of directivity pattern>
  • the controller 31 selects the optimum directivity pattern candidate belonging to the selected directivity group A. It is necessary to specify the directivity pattern. In this case, the controller 31 sequentially sets the directivity pattern candidates belonging to the selected directivity group A to the antennas 11 and 12, respectively.
  • the signal processing circuit 30 measures the SINR of the received signals of the antennas 11 and 12 every time each directivity pattern candidate belonging to the directivity group A is set.
  • the controller 31 selects the directivity pattern having the largest SINR measurement value among the directivity pattern candidates belonging to the selected directivity group A as the directivity pattern to be set for the antennas 11 and 12. As a result, the directivity pattern that provides the most channel capacity in the current environment can be set in the antennas 11 and 12.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an example of a directivity pattern selection method performed by the antenna directivity control system 10.
  • the controller 31 selects a reference directivity pattern stored in advance in the memory 32, and the directivity control circuits 21 and 22 select the selected reference directivity pattern. Is set to the antennas 11 and 12.
  • step S20 the signal processing circuit 30 measures the SINR of the received signal obtained by the antennas 11 and 12 in which the reference directivity pattern is set.
  • step S30 when the SINR measurement value fluctuates by a predetermined fluctuation range or more with respect to the previous measurement value, step S40 is performed, and the SINR measurement value has a predetermined fluctuation width or more with respect to the previous measurement value. If not, step S20 is performed again.
  • step S40 the controller 31 determines whether or not the measured value of SINR is equal to or greater than a predetermined threshold. If the measured value of SINR is equal to or greater than the predetermined threshold, step S50 is performed, and the measured value of SINR is determined. If it is less than the predetermined threshold, step S250 is performed.
  • the controller 31 selects the directivity group D suitable for the MIMO spatial multiplexing mode as the directivity pattern set for the antennas 11 and 12 (step S70). ).
  • the controller 31 for example, among the shape patterns D1, D2, D3, and D4 of the directivity group D stored in the memory 32 in the same manner as in Table 2, for example, the angle pattern D1-1 to 0 ° in the peak gain direction.
  • D4-1 is sequentially set to the antennas 11 and 12, and the SINR of the received signals of the antennas 11 and 12 is measured every time each of the angle patterns D1-1 to D4-1 is set.
  • the controller 31 temporarily sets the shape pattern to which the angle pattern having the largest measured SINR value belongs to the antennas 11 and 12 among the angle patterns D1-1 to D4-1 belonging to the selected directivity group D. Determine the directivity pattern.
  • step S70 the temporary directivity pattern determined in step S70 is the shape pattern D1.
  • step S80 the controller 31 performs an angle scan that changes the angle of the shape pattern D1 selected in step S70, and specifies a directivity pattern that maximizes the measured value of SINR.
  • the controller 31 has a plurality of angle patterns belonging to the shape pattern D1 stored in advance in the memory 32 (for example, 12 angle patterns D1-1 having the same shape and different peak gain directions from each other). An angle scan for sequentially setting D1-12) to the antennas 11 and 12 is performed.
  • the signal processing circuit 30 measures the SINR of the received signals of the antennas 11 and 12 each time the angle patterns D1-1 to D1-12 belonging to the shape pattern D1 are set.
  • the controller 31 specifies the angle pattern having the largest measured SINR value among the angle patterns belonging to the selected shape pattern D1 as the directivity pattern set for the antennas 11 and 12.
  • the rank at which sufficient multipath is obtained is 2 or more and the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is wide, so the angle scan in step S80 may be omitted.
  • step S90 the directivity control circuits 21 and 22 set the specified angle pattern to the antennas 11 and 12, respectively. Thereby, the directivity pattern which can obtain the highest channel capacity in the current environment can be set in the antennas 11 and 12.
  • step S90 the process returns to step S20 in step S100, and the process of step S20 is executed again.
  • step S50 when the rank measurement value obtained in step S50 is less than 2, the controller 31 sets the directivity group C suitable for the multiuser MIMO mode (SDMA mode) as the directivity pattern set for the antennas 11 and 12. Is selected (step S170). Description of steps S180 to S200 is omitted because it is the same processing as steps S80 to S100.
  • SDMA mode multiuser MIMO mode
  • step S250 when the rank measurement value obtained in step S250 is 2 or more, the controller 31 selects the directivity group B suitable for the transmission diversity mode as the directivity pattern set in the antennas 11 and 12 (step S270). Description of steps S280 to S300 is omitted because it is the same processing as steps S80 to S100.
  • step S250 if the rank measurement value obtained in step S250 is less than 2, the controller 31 selects the directivity group A suitable for the BF mode as the directivity pattern set for the antennas 11 and 12 (step S370). Description of steps S380 to S400 is omitted because it is the same processing as steps S80 to S100.
  • ⁇ Direction pattern candidate creation example 2> The above-described creation example 1 is an example in which directivity pattern candidates are created based on an antenna model on a computer. Creation example 2 is a directivity pattern candidate stored in advance in the memory 32 based on a plurality of directivity patterns obtained using an actually manufactured antenna and a control circuit for controlling the directivity of the antenna. Is an example of creating.
  • FIG. 8 is a pattern diagram showing an example of a directivity pattern shape for creating a directivity pattern candidate stored in the memory 32 in advance.
  • FIG. 8 conceptually shows a directivity pattern of a specific polarization component in the plane where the actually manufactured antennas 11 and 12 are provided, for example, a vertical polarization component in the XY plane.
  • FIG. 8 shows seven directivity patterns obtained by the control circuit controlling the directivity of the antenna so that the directions of the main beams are different from each other. There are seven main beam directions with different directions from -90 ° to 90 °.
  • FIG. 9 is an analysis data of channel capacity in SINR when transmitting in the MIMO mode with respect to five angular spreads ⁇ p with four different directivity patterns having different correlation coefficients between antennas based on the measurement data of the directivity pattern. It is a graph which shows an example.
  • FIG. 10 shows analysis data of channel capacity in SINR when transmitting in the BF mode for five angular spreads ⁇ p with four different directivity patterns with different correlation coefficients between antennas based on the measurement data of the directivity pattern. It is a graph which shows an example. 9 and 10 show five cases where the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is 10 °, 30 °, 50 °, 100 °, and 200.
  • FIG. 9 and 10 show five cases where the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is 10 °, 30 °, 50 °, 100 °, and 200.
  • “Dir # 1 Dir # 7” means that the directivity pattern Dir # 1 shown in FIG. 8 is set to the antenna 11 and the directivity pattern Dir # 7 is set to the antenna 12.
  • the analysis data is shown.
  • “Dir # 3 Dir # 6”, “Dir # 4 Dir # 5”, and “Dir # 1 Dir # 1” have the same meaning.
  • the correlation coefficients between the antennas 11 and 12 are higher in the order of “Dir # 1 Dir # 7”, “Dir # 3 Dir # 6”, “Dir # 4 Dir # 5”, and “Dir # 1 Dir # 1”.
  • the correlation coefficient between the antennas 11 and 12 in which these four directivity patterns are set changes the average arrival angle mp from 0 ° to 350 ° at 36 ° intervals at 10 °, and each of the average arrival angles. It is an average value of correlation coefficients calculated based on Equation 3.
  • the average arrival angle mp in the horizontal plane is changed at intervals of 10 ° from 0 ° to 350 °, 36 average channel capacities are calculated, and the maximum value among them ( Maximum channel capacity).
  • the channel capacity when transmitting in the MIMO mode, can be increased as the combination of antennas having a lower correlation coefficient.
  • the channel capacity can be increased in an environment where the angular spread ⁇ p is large (that is, an environment where sufficient multipath can be obtained).
  • the channel capacity when transmitting in the BF mode, can be increased as the combination of antennas having a higher correlation coefficient.
  • the channel capacity can be increased in an environment where the angular spread ⁇ p is small (that is, an environment where sufficient multipath cannot be obtained).
  • FIG. 11 is a graph showing an example of analysis data of SINR and channel capacity when transmission is performed in the MIMO mode and the BF mode.
  • FIG. 11 shows five cases where the angular spread ⁇ p in the horizontal plane is 10 °, 30 °, 50 °, 100 °, and 200.
  • the analysis data in the MIMO mode shown in FIG. 11 shows a case where transmission is performed with five directivity patterns picked up in ascending order of correlation coefficient among the 28 synthetic directivity patterns obtained in FIG.
  • the analysis data of the BF mode shown in FIG. 11 shows a case where transmission is performed with five directivity patterns picked up in descending order of correlation coefficient among the 28 synthetic directivity patterns obtained in FIG.
  • the five directivity patterns picked up in this way are stored in the memory 32 as directivity pattern candidates.
  • the rank increases as the angular spread ⁇ p in the horizontal plane increases.
  • the channel capacity can be increased by transmitting in the MIMO mode using any of the low-correlation directivity patterns.
  • the controller 31 directs the five highly correlated directivities described above.
  • the channel capacity can be increased by transmitting in the BF mode using any of the sex patterns.
  • the antenna directivity control system has been described by way of the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment. Various modifications and improvements, such as combinations and substitutions with part or all of other example embodiments, are possible within the scope of the present invention.
  • the present invention can be applied to a case where there are three or more antennas.
  • the directivity pattern candidates illustrated in Table 1 have one threshold value for determining the magnitude of the measured value of SINR, and one threshold value for determining the magnitude of the measured value of rank. By setting, it is divided into four directivity groups. However, by setting the threshold for determining the magnitude of the measured value of SINR to two or more, or setting the threshold for determining the magnitude of the measured value of rank to two or more, the directivity pattern candidate is It may be divided into more than four directivity groups.

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Abstract

　指向性が可変である複数のアンテナ（例えば、２つのアンテナ１１，１２）と、前記複数のアンテナの受信信号に関する受信信号品質及びチャネル品質を測定する測定手段（例えば、信号処理回路３０）と、前記受信信号品質の測定値及び前記チャネル品質の測定値に応じて、記憶装置に予め用意された指向性パターン候補から、前記複数のアンテナ素子に設定する指向性パターンを選択する選択手段（例えば、コントローラ３１）と、選択された指向性パターンを前記複数のアンテナに設定する設定手段（例えば、指向性制御回路２１，２２）とを備える、アンテナ指向性制御システム。

Description

アンテナ指向性制御システム
　本発明は、アンテナの指向性制御システムに関する。
　通信速度を向上させる手段として、マルチアンテナによるＭＩＭＯ空間多重通信技術が利用されている。しかしながら、移動体通信において、端末における電波伝搬環境は多様であり、実際には、ＭＩＭＯ空間多重通信が利用できる環境は限られる。
　例えば、非特許文献１には、市街地における到来波の角度広がり（Angle Spread）の実測データが開示されている。ビルなどの反射物の比較的多い市街地であっても、到来波の角度広がりは３０°以下であり、十分なマルチパスリッチ環境は得られないことが示されている。
　このような事実があることから、非特許文献２に示される３ＧＰＰの規格では、ＭＩＭＯ空間多重モードの他に、ビームフォーミングモード、送信ダイバーシティモード、マルチユーザＭＩＭＯモードなどの計９個の伝送モードが設定されている。基地局から送信される基準信号に基づいて端末の置かれた電波環境を測定し、適切な伝送モードを選択する方式が採用されている。
　一方で、通信性能を向上させる手段の一つとして、指向性可変機能を有するマルチアンテナが検討されている。このような指向性可変アンテナに関して、特許文献１では、ＭＩＭＯ空間多重通信における、電波環境変動に対するロバスト性を向上させる手段として、指向性可変アンテナの指向性選択手段が開示されている。
特開２０１０－２５８５７９号公報
Tetsuro Imai, etc.,「A Propagation Prediction System for Urban Area Macrocells Using Ray-tacing Methods」, NTT DoCoMo Technical Journal, Vol.6, No.1, ｐ.41-51 3GPP TS 36.213 V10.1.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Trrestrial Radio Access(E-UTRA); Pysical layer procedures (Release10), p.26-27 多賀、「陸上移動通信環境におけるアンテナダイバーシチ相関特性の解析」、電子情報通信学会論文誌B-II, Vol.J-73-B-II, No.12, p.883-895 唐沢、「ＭＩＭＯ伝搬チャネルモデリング」、電子情報通信学会論文誌B, Vol.J-86-B, No.9, p.1706-1720
　しかしながら、特許文献１に開示された方法は、指向性パターン間の相関を考慮する技術であり、アンテナ間の相関の低いアンテナ構成のみを選択することが前提である。そのため、ＭＩＭＯ空間多重通信には利用できるが、前述のようにＭＩＭＯ空間多重通信以外の伝送モードを選択した場合には、良好な通信性能を実現することができない。
　そこで、本発明は、電波伝搬環境の変動に追随して適切な指向性パターンを選択できる、アンテナ指向性制御システムの提供を目的とする。
　上記目的を達成するため、
　指向性が可変である複数のアンテナと、
　前記複数のアンテナの受信信号に関する受信信号品質及びチャネル品質を測定する測定手段と、
　前記受信信号品質の測定値及び前記チャネル品質の測定値に応じて、予め用意された複数の指向性パターン候補から、前記複数のアンテナに設定する指向性パターンを選択する選択手段と、
　選択された指向性パターンを前記複数のアンテナに設定する設定手段とを備える、アンテナ指向性制御システムが提供される。
　一態様によれば、電波伝搬環境の変動に追随して適切な指向性パターンを選択できる。
指向性制御システムの一構成例を示したブロック図である。 到来波の角度広がりが１００°のときのチャネル容量の比較データを示したグラフである。 到来波の角度広がりが１０°のときのチャネル容量の比較データを示したグラフである。 ＢＦモードでのチャネル容量の比較データを示したグラフである。 予め用意された指向性パターン候補を作成するための指向性モデルパターンの形状例を示したパターン図である。 予め用意された指向性パターン候補を作成するための指向性モデルパターンの形状例を示したパターン図である。 指向性パターンの選択方法の一例を示したフローチャートである。 指向性パターン候補を作成するための指向性パターンの形状例を示したパターン図である。 アンテナ間の相関係数が互いに異なる４通りの指向性パターンの測定データに基づき、５通りの角度広がりσｐについてＭＩＭＯモードで伝送したときの、ＳＩＮＲにおけるチャネル容量の解析データの一例を示すグラフである。 アンテナ間の相関係数が互いに異なる４通りの指向性パターンの測定データに基づき、５通りの角度広がりσｐについてＢＦモードで伝送したときの、ＳＩＮＲにおけるチャネル容量の解析データの一例を示すグラフである。 ＭＩＭＯモードとＢＦモードで伝送したときの、ＳＩＮＲとチャネル容量との解析データの一例を示すグラフである。
　＜アンテナ指向性制御システムの構成＞
　図１は、本発明の一実施形態であるアンテナ指向性制御システム１０の構成例を示したブロック図である。アンテナ指向性制御システム１０は、例えば、無線通信装置１００に搭載されるアンテナシステムである。無線通信装置１００の例として、移動体自体又は移動体に内蔵される通信装置が挙げられる。移動体の例として、携帯可能な携帯端末装置、自動車等の車両、ロボットなどが挙げられる。携帯端末装置の具体例として、携帯電話、スマートフォン、タブレット型コンピュータなどの電子機器が挙げられる。
　アンテナ指向性制御システム１０は、指向性が可変である複数のアンテナ１１，１２と、信号処理回路３０と、コントローラ３１と、複数の指向性制御回路２１，２２とを備えている。
　２つのアンテナ１１，１２は、到来する電波（到来波）を受信または無線通信装置１００の信号を送信することが可能であって、指向性が制御可能なアンテナである。アンテナ１１，１２それぞれの個別の指向性パターンは、対応する指向性制御回路２１，２２によって動的且つ独立に制御される。アンテナ指向性制御システム１０において選択される指向性パターンとは、アンテナ１１，１２それぞれの個別の指向性パターンの組み合わせを選択することと言える。なお、アンテナ１１，１２それぞれの個別の指向性パターンを独立に制御せずに、例えばフェーズドアレーアンテナのように２つのアンテナ１１，１２で指向性パターンを制御してもよい。
　また、複数のアンテナ１１，１２それぞれは、指向性を制御できるように、放射素子（アンテナ素子）と、放射素子のインピーダンスを制御するインピーダンス制御部とを有してもよい。インピーダンス制御部は、例えば、キャパシタンスを調整可能なキャパシタンス可変回路、リアクタンスを調整可能なリアクタンス可変回路などである。また、アンテナ１１，１２それぞれが、指向性を制御できるようにフェーズドアレーアンテナで構成されてもよい。
　信号処理回路３０は、アンテナ１１，１２が到来波を受信することによって得られた受信信号を処理する、または無線通信装置１００の送信信号を処理する回路である。信号処理回路３０は、例えば、アンテナ１１，１２により得られた受信信号に対して、増幅及びＡＤ変換などの高周波処理やベースバンド処理を行う回路である。
　信号処理回路３０は、アンテナ１１，１２の受信信号に関する受信信号品質、及びアンテナ１１，１２の受信信号に関するチャネル品質を測定する測定手段を含んでいる。
　アンテナ１１，１２の受信信号に関する受信信号品質の一例として、ＳＩＮＲ（Signal　to　Interference　plus　Noise　Ratio）が挙げられる。しかしながら、アンテナ１１，１２の受信信号に関する受信信号品質は、アンテナ指向性制御システム１０が適用される通信方式に応じて、他の指標でもよい。例えば、ＬＴＥ（Long　Term　Evolution）方式に適用される場合、ＳＩＲ（Signal　to　Interference　Ratio）、ＲＳＳＩ（Received　Signal　Strength　Indicator）、ＲＳＲＰ（Reference　Signal　Received　Power）、ＲＳＲＱ（Reference　Signal　Received　Quality）などが挙げられる。Ｗ‐ＣＤＭＡ（Wideband　Code　Division　Multiple　Access）方式に適用される場合、ＲＳＣＰ（Received　Signal　Code　Power）などが挙げられる。
　アンテナ１１，１２の受信信号に関するチャネル品質の一例として、チャネル情報（ＣＳＩ：Channel　State　Information），ランク（rank）などが挙げられる。しかしながら、アンテナ１１，１２の受信信号に関するチャネル品質は、アンテナ指向性制御システム１０が適用される通信方式に応じて、他の指標でもよい。例えば、ＬＴＥ方式に適用される場合、ＣＱＩ（Channel　Quality　Indicator）、ＰＭＩ（Pre-coding　Matrix　Indicator）、ＲＩ（Rank　Indicator）などが挙げられる。
　コントローラ３１は、メモリ３２に予め用意されて格納された指向性パターン候補から、アンテナ１１，１２に設定する指向性パターンを選択し、選択した指向性パターンに対応する制御信号を指向性制御回路２１，２２に対して出力する。メモリ３２に予め格納された指向性パターン候補は、アンテナ１１，１２それぞれで独立に複数の異なる指向性パターンを実現するためのパターンデータであり、アンテナ１１，１２それぞれの個別の指向性パターンの組み合わせのデータである。コントローラ３１は、例えば、ＣＰＵを備えるマイクロコンピュータである。メモリ３２は、コントローラ３１の内部又は外部に設けられた記憶装置である。
　コントローラ３１は、アンテナ１１，１２の受信信号に関する受信信号品質の測定値及びチャネル品質の測定値に応じて、予め用意された複数の指向性パターン候補から、アンテナ１１，１２に設定する指向性パターンを選択する選択手段の一例である。
　指向性制御回路２１，２２は、コントローラ３１から指令された制御信号に従って、コントローラ３１によって選択された指向性パターンを、アンテナ１１，１２に設定する設定手段の一例である。指向性制御回路２１，２２は、例えば、アンテナ１１，１２に係るリアクタンス可変回路を有している。
　したがって、アンテナ１１，１２に設定される指向性パターンが、アンテナ１１，１２の受信信号に関する受信信号品質の測定値及びチャネル品質の測定値に応じて複数の指向性パターン候補から選択されるので、電波伝搬環境の変動に追随して適切な指向性パターンの選択が可能となる。例えば、受信信号品質の測定値をＭｓｑとし、チャネル品質の測定値をＭｃｑとする。
　例えば、コントローラ３１は、Ｍｓｑが第１の閾値以上であり且つＭｃｑが第２の閾値以上である場合、Ｍｃｑが第２の閾値未満である場合に選択する指向性パターンに比べてアンテナ１１，１２間の相関係数ρｅが低い指向性パターンを、メモリ３２内の指向性パターン候補から選択する。
　例えば、コントローラ３１は、Ｍｓｑが第１の閾値未満であり且つＭｃｑが第２の閾値未満である場合、Ｍｃｑが第２の閾値以上である場合に選択する指向性パターンに比べてアンテナ１１，１２間の相関係数ρｅが高く且つアンテナ１１，１２の合成利得が所定の利得値よりも高い指向性パターンを、メモリ３２内の指向性パターン候補から選択する。
　例えば、コントローラ３１は、Ｍｓｑが第１の閾値以上であり且つＭｃｑが第２の閾値未満である場合、Ｍｃｑが第２の閾値以上である場合に選択する指向性パターンに比べてアンテナ１１，１２間の相関係数ρｅが高い指向性パターンを、メモリ３２内の指向性パターン候補から選択する。
　例えば、コントローラ３１は、Ｍｓｑが第１の閾値未満であり且つＭｃｑが第２の閾値以上である場合、Ｍｃｑが第２の閾値未満である場合に選択する指向性パターンに比べてアンテナ１１，１２間の相関係数ρｅが低く且つアンテナ１１，１２の合成利得が所定の利得値よりも高い指向性パターンを、メモリ３２内の指向性パターン候補から選択する。
　＜相関係数ρｅの定義＞
　次に、指向性パターンに基づくアンテナ間の相関係数ρｅについて説明する。指向性パターンに基づくアンテナ間の相関係数ρｅは、例えば式１により導出できる（例えば、非特許文献３を参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　式１では、異なる指向性の２つのアンテナが、それぞれ、十分大きな交差偏波識別度（ＸＰＤ）を有し、垂直偏波成分の指向性パターンが支配的であると仮定している。元の文献に示された式は、交差偏波が考慮されて複雑であるため、式１は、垂直偏波のみを想定して簡略化されている。
　Ｅ１，Ｅ２はアンテナの複素電界指向性、Ｐは到来波の角度分布、ｋは波数、ｘはアンテナ間の位相差を表している。θは仰角、φは水平面内の角度を表す。Ｅ１，Ｅ２，Ｐは、角度θ，φの関数である。
　本発明の実施形態では、到来波の角度分布Ｐ（θ，φ）を「Ｐｔ（θ）×Ｐｐ（φ）」とし、Ｐｔ（θ）は仰角θに対する正規分布、Ｐｐ（φ）は水平面内角度φに対する正規分布とする。
　到来波の角度分布Ｐ（θ，φ）の平均となる角度を平均到来角と称し、仰角方向に対する平均到来角をｍｔ、水平面内方向に対する平均到来角をｍｐとする。平均到来角は複数の方角から到来する電波がどの方向から到来する確率が高いかを表す。
　到来波の角度分布Ｐ（θ，φ）の標準偏差となる角度を角度広がりと称し、仰角方向に対する角度広がりをσｔ、水平面内方向に対する角度広がりをσｐとする。角度広がりは複数の電波の到来角が平均到来角周辺に集中する度合いを表している。
　よって、本発明の実施形態における相関係数には、到来波の角度を任意に変化させて、各平均到来角での相関係数を算出し、それらを平均した平均相関係数を適用した。相関係数は、アンテナ間の相関性の尺度を表す。
　＜チャネル容量の定義＞
　次に、チャネル容量について説明する。チャネル容量とは、ある周波数の伝搬チャネルにおいて、干渉せずに多重化可能な信号の密度を表している。チャネル容量が高い場合、異なる情報を送信すれば、通信速度が向上し、同一の情報を送信すれば、受信側のＳＮ比を改善できる。
　送信側の伝搬環境情報が既知であって、最適な送信電力割り当てが可能な場合のチャネル容量Ｃは、式２で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　λｉは、伝搬行列のｉ番目の固有値であり、Ｍ０は、伝搬行列のランク（階数。rank）を表す。また、チャネル容量Ｃは一般に単一アンテナによる特性で規格化されることが多く、γ０は、損失１の伝搬路における、単一アンテナで受信した場合のＳＮ比を表している。
　γ０が十分高い場合には、各固有パスに等しい電力を割り当てれば十分な多重化利得が得られ、γ０が低い場合には、最大固有値のパスに全電力を割り当てるほうが最大比合成による、ＳＮ比の改善が期待できる（非特許文献４を参照）。
　γｉは各固有パスにおけるＳＮ比を表している。電力の割り当てが異なる場合の間でγｉの合計値が互いに等しいという条件を課すことにより、電力の割り当てが異なる場合を比較するときの規範とすることができる。
　ＭＩＭＯ空間多重モードにおける各固有パスのＳＮ比を、γｉ＝γ０／Ｍ０（１≦ｉ≦Ｍ０）とし、ビームフォーミングモードにおける各固有パスのＳＮ比を、γｉ＝γ０（ｉ＝１）、γｉ＝０（１＜ｉ≦Ｍ０）とした。
　本発明の実施形態では、電波が到来する角度（到来角）の分布条件（到来角分布条件）に応じて、複数の電波の一つ一つ（素波）の到来角を乱数で発生させ、各素波を複素合成する事により伝搬行列を求めた。
　フェージングによる伝搬行列の変動は、素波の初期位相を変化させることにより求めた。素波の初期位相は一様分布とした。アンテナを備える移動体が移動しているものとして、５０地点における伝搬行列を算出した。
　また、同一のパス環境において、単一の無指向性アンテナで受信した場合の５０地点における平均受信電力を算出し、伝搬行列を規格化した。その伝搬行列の固有値を用いて、式２に基づき算出したチャネル容量Ｃを、５０地点の瞬時チャネル容量とした。フェージング環境における平均的な通信性能指標を、５０地点の瞬時チャネル容量を平均した値（平均チャネル容量）とした。
　本実施形態に係るアンテナ指向性制御システムは、受信信号品質とチャネル品質に応じた制御を行う事で通信性能を向上させるシステムである。チャネル品質の変動すなわちマルチパス環境の変化を表現する手段として、到来角分布の角度広がりを変化させることが利用できる。そこで、異なる到来角分布の角度広がりを持つ到来波の入射角度を任意に変化させて、各平均到来角での平均チャネル容量を算出した。そして、算出した平均チャネル容量の中の最大値である最大チャネル容量を、本実施形態におけるチャネル容量に適用した。チャネル容量は、アンテナ間の通信性能指標を表す。
　＜指向性パターンと伝送モードとの関係＞
　次に、指向性パターンと伝送モードとの関係について説明する。図２及び図３は、同じ指向性パターンで、ＭＩＭＯ空間多重モード（ＭＩＭＯモード）で伝送したときとビームフォーミングモード（ＢＦモード）で伝送したときとで得られるチャネル容量の比較データを示したグラフである。図２は、水平面内の角度広がりσｐの想定値を１００°に設定した場合において、ＳＩＮＲとチャネル容量との関係を示したシミュレーションデータである。図３は、水平面内の角度広がりσｐの想定値を１０°に設定した場合において、ＳＩＮＲとチャネル容量との関係を示したシミュレーションデータである。
　なお、図２，３および４における到来波については、水平面内から到来する波が多いと仮定して、到来波の仰角方向の角度分布Ｐｔ（θ）の平均到来角ｍｔを９０°（天頂方向を０°、大地面方向を１８０°とした場合）とし、角度広がりσｔを１０°とした。
　また、図２，３および４の例の指向性パターンの選定に際しては、ＭＩＭＯ空間多重通信に適した充分なマルチパスが得られる環境を仮定して、図２，３および４の条件にかかわらず到来波の水平面内の角度分布Ｐｐ（φ）の角度広がりσｐの想定値を１００°とした。そして、平均到来角ｍｐを０°から３５０°まで１０°間隔で３６通り変化させ、これらの平均到来角それぞれについて算出された相関係数の平均値を用いて、図２，３および４の例の指向性パターンを選定した。
　また、図２，３および４でのチャネル容量については、水平面内の平均到来角ｍｐを０°から３３０°まで３０°間隔で変化させ、１２通りの平均チャネル容量を算出して、それらの中の最大値である最大チャネル容量を求めた。角度広がりσｐの想定値は、図２が１００°であり、図３および４が１０°とした。
　ＳＩＮＲ（Signal　to　Interference　plus　Noise　Ratio）とは、マルチセル環境において、周辺セルの干渉を考慮した、受信信号電力対干渉及び雑音電力比である。ＳＩＮＲは、
　　ＳＩＮＲ＝Ｓ／（Ｉ＋Ｎ）
によって定義される通信品質指標である。Ｓは受信信号電力、Ｉは干渉電力、Ｎは雑音電力を表す。
　図２，３は、アンテナ間の相関係数が互いに異なり且つ相関係数が低い５通りの指向性パターンについて、ＭＩＭＯモードとＢＦモードのそれぞれについてＳＩＮＲに対するチャネル容量の解析データが示されている。なお、ここでのチャネル容量は、干渉電力は無いものとし、式（２）を用いて算出した。
　図２，３において、複数のアンテナ１１，１２の個別の指向性パターンの組み合わせが同じであっても、すなわち、同一の指向性パターンであっても、伝送モードがＭＩＭＯモードの場合とＢＦモードの場合とで、チャネル容量が変化することを示している。なお、相関係数はアンテナとしての性能であるので、同一の指向性パターンである場合、相関係数は同じである。
　よって、図２，３によれば、高ＳＩＮＲ環境では、同じ指向性パターンであっても、ＭＩＭＯモードでのチャネル容量は、ＢＦモードでのチャネル容量よりも大きくなり、低ＳＩＮＲ環境では、ＢＦモードでのチャネル容量は、ＭＩＭＯモードでのチャネル容量よりも大きくなる。
　また、図２，３によれば、高ＳＩＮＲ環境において、水平面内の角度広がりσｐが大きいときのＭＩＭＯモードでのチャネル容量は、水平面内の角度広がりσｐが小さいときに比べて、大きくなる。また、図２，３によれば、低ＳＩＮＲ環境において、水平面内の角度広がりσｐが小さいときのＢＦモードでのチャネル容量は、水平面内の角度広がりσｐが大きいときに比べて、大きくなる。
　つまり、高ＳＩＮＲ環境であり、且つ角度広がりσｐが大きな環境（つまり、充分なマルチパスが得られる環境）である場合、ＭＩＭＯモードの伝送に適した指向性パターンで情報を伝送することによって、チャネル容量を上げることができる。ＭＩＭＯモードは、複数のアンテナで複数の異なる情報を同時に伝送する方式であるため、複数のアンテナ間の相関係数は低いことが好ましい。したがって、ＭＩＭＯモードの伝送に適した指向性パターンとは、複数のアンテナ間の相関係数が低い指向性パターンである。なお、ＭＩＭＯモードの場合、充分なマルチパスが得られる環境であれば良好な通信が確保できるので、相関係数が低ければ低いほどよいということではなく、ある一定の相関係数よりも低ければよい。
　一方、低ＳＩＮＲ環境であり、且つ角度広がりσｐが小さな環境（つまり、充分なマルチパスが得られない環境）である場合、ＢＦモードの伝送に適した指向性パターンで情報を伝送することによって、チャネル容量を上げることができる。ＢＦモードは、最大利得方向に指向性を向けた複数のアンテナで同じ情報を同時に伝送する方式であるため、複数のアンテナ間の相関係数は高く且つ複数のアンテナの合成利得の最大値は高いことが好ましい。したがって、ＢＦモードの伝送に適した指向性パターンとは、複数のアンテナ間の相関係数が高く且つ複数のアンテナの合成利得が高い指向性パターンである。
　例えば、図４には、低ＳＩＮＲ環境において、アンテナ間の相関係数が互いに異なり且つ相関係数が低い指向性パターン５通り及び相関係数が高い指向性パターン５通りの合わせて１０通りのアンテナペアについて、ＢＦモードで伝送したときのチャネル容量のシミュレーションデータが示されている。図４は、水平面内の角度広がりσｐの想定値を１０°に設定した場合において、ＳＩＮＲとチャネル容量との関係を示したシミュレーションデータである。図４に示されるように、低ＳＩＮＲ環境において、アンテナ間の相関係数が高いときのＢＦモードでのチャネル容量は、アンテナ間の相関係数が低いときに比べて、大きくなっている。
　また、水平面内の角度広がりσｐについては、ランクで評価することができる。ランク（rank）とは、測定時点のチャネル状況に応じて最大のデータレートとなるランクインジケータ（Rank　Indicator：ＲＩ）の値であり、並列伝送可能な信号系列数を表す。すなわち、水平面内の角度広がりσｐが広い状態のとき、並列伝送可能な信号系列数が増え、ランクが高くなる。逆に、水平面内の角度広がりσｐが狭い状態のとき、並列伝送可能な信号系列数が減り、ランクが低くなる。
　なお、ランクは、次のとおり、算出することができる。ＬＴＥシステムにおいては、基地局から送信されるReference Signalsを用いて、チャネル推定が可能である。この推定されたチャネル行列から、相関行列を導出し、この相関行列の階数（ランク）を算出する。
　したがって、コントローラ３１は、複数のアンテナによって得られた受信信号に関するＳＩＮＲの測定値及びランクの測定値に応じて、例えば表１の関係に基づいて、アンテナ１１，１２に設定する指向性パターンを選択することが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 　表１は、コントローラ３１の指向性パターンの選択方法の一例を示した表である。ＳＩＮＲ及びランクは、例えば、信号処理回路３０によって測定される。
　コントローラ３１は、例えば、ＳＩＮＲの測定値が所定の閾値ＴＨ１以上であり且つランクの測定値が２以上である場合、アンテナ１１，１２間の相関が指向性群Ａ又はＣよりも低い指向性パターン（指向性群Ｄ）を選択する。ランクの測定値が２以上であれば、移動体を取り巻く実際の環境が、角度広がりσｐが例えば３０°を超える環境（つまり、充分なマルチパスが得られる環境）であると推定できる。したがって、このように選択することにより、高ＳＩＮＲ環境であり、且つ角度広がりσｐが大きな環境（つまり、充分なマルチパスが得られる環境）において、ＭＩＭＯ空間多重モードでの伝送に適した指向性パターンを選択でき、チャネル容量を上げることができる。
　一方、コントローラ３１は、例えば、ＳＩＮＲの測定値が閾値ＴＨ２未満であり且つランクの測定値が１である場合、アンテナ１１，１２間の相関が指向性群Ｄ又はＢよりも高く且つアンテナ１１，１２の合成利得の最大値が所定の利得値Ｇ１よりも高い指向性パターン（指向性群Ａ）を選択する。ランクの測定値が１であれば、移動体を取り巻く実際の環境が、角度広がりσが例えば３０°以下の環境（つまり、充分なマルチパスが得られず信号も弱い環境）であると推定できる。したがって、このように選択することにより、低ＳＩＮＲ環境であり、且つ角度広がりσｐが小さな環境（つまり、充分なマルチパスが得られず信号も弱い環境）において、ＢＦモードでの伝送に適した指向性パターンを選択でき、チャネル容量を上げることができる。閾値ＴＨ２は、閾値ＴＨ１と同じ値でも異なる値でもよい。
　また、コントローラ３１は、例えば、ＳＩＮＲの測定値が所定の閾値ＴＨ３以上であり且つランクの測定値が１である場合、アンテナ１１，１２間の相関が指向性群Ｄ又はＢよりも高い指向性パターン（指向性群Ｃ）を選択してよい。マルチユーザＭＩＭＯモード（ＳＤＭＡ（Ｓｐａｃｅ－Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ）モード）は、一つの基地局で複数の端末が同一時刻に同一周波数を使う伝送方式であるため、複数のアンテナ間の相関係数が高いことが好ましい。したがって、このように選択することにより、高ＳＩＮＲ環境であり、且つ角度広がりσｐが小さな環境（つまり、充分なマルチパスが得られないが信号は強い環境）において、マルチユーザＭＩＭＯモード（ＳＤＭＡモード）での伝送に適した指向性パターンを選択でき、チャネル容量を上げることができる。閾値ＴＨ３は、閾値ＴＨ１と同じ値でも異なる値でもよい。
　また、コントローラ３１は、例えば、ＳＩＮＲの測定値が所定の閾値ＴＨ４未満であり且つランクの測定値が２以上である場合、アンテナ１１，１２間の相関が指向性群Ａ又はＣよりも低く且つアンテナ１１，１２の合成利得の最大値が所定の利得値Ｇ２よりも高い指向性パターン（指向性群Ｂ）を選択してよい。送信ダイバーシティモードは、複数のアンテナのうち利得の高いアンテナを選択するまたは各受信信号を合成して伝送する方式であるため、複数のアンテナ間の相関係数は低く且つ複数のアンテナの合成利得の最大値は高いことが好ましい。したがって、このように選択することにより、低ＳＩＮＲ環境であり、且つ角度広がりσｐが大きな環境（つまり、ある程度のマルチパスが得られるが信号が弱い環境）において、送信ダイバーシティモードでの伝送に適した指向性パターンを選択でき、チャネル容量を上げることができる。閾値ＴＨ４は、閾値ＴＨ１と同じ値でも異なる値でもよい。利得値Ｇ２は、利得値Ｇ１と同じ値でも異なる値でもよい。
　＜指向性パターン候補の作成例１＞
　複数の指向性群Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれに属する指向性パターンは、メモリ３２に予め格納される指向性パターン候補である。次に、メモリ３２に予め格納される指向性パターン候補の作成例について説明する。
　図５及び図６は、メモリ３２に予め格納される指向性パターン候補（言い換えれば、アンテナ１１，１２それぞれに設定可能な指向性パターン）を作成するための指向性モデルパターンの形状例を示したパターン図である。各図は、アンテナ１１，１２が設けられた平面における特定の偏波成分、例えばＸＹ平面における垂直偏波成分の指向性パターンを概念的に示している。
　図示の各指向性モデルパターンの形状を決めるパターンデータは、予め作成されたデータであり、本発明の実施形態ではアンテナ１１、１２それぞれがアレーアンテナであるアレーアンテナモデルを使用している。なお、アンテナ１１、１２それぞれの指向性制御は、無給電素子を利用する指向性制御手法によるモデル、インピーダンス制御素子を利用する手法、または機械的な制御手法によるモデルでもよい。
　具体的には、指向性パターンが互いに異なる８通りのアレーアンテナモデル１～８を作成し、アレーアンテナモデル１～８のうち２つのアレーアンテナモデルを組み合わせた６４通りのアンテナペアを作成する。これらの２つのアレーアンテナモデルは、それぞれ、アンテナ１１のアンテナモデルとアンテナ１２のアンテナモデルに相当する。そして、６４通りのアンテナペアそれぞれに構成される２つのアンテナモデルそれぞれの主ビームの方向を７通り（－９０°，－６０°，－３０°，０°，３０°，６０°，９０）変化させる。これにより、２８（＝７＋１Ｃ２）通りの指向性パターンを６４通りのアンテナペアそれぞれに対して作成できる。したがって、１７９２（＝６４×２８）通りの指向性モデルパターンを予め作成できる。
　そして、１７９２通りの指向性モデルパターンのうち、所定のチャネル容量（例えば、上位１０個のチャネル容量）が得られる指向性モデルパターンが、メモリ３２に予め格納される指向性パターン候補として選定されるとよい。
　例えば、指向性群Ｄに属する指向性パターン候補は、伝送モードをＭＩＭＯ空間多重モードに設定し、且つ、ＳＩＮＲの想定値を所定の閾値ＴＨ１以上且つランクの想定値を２以上に設定したモデル環境ＥＤで、１７９２通りの指向性モデルパターンから選定される。モデル環境ＥＤにおいて、所定のチャネル容量以上の指向性モデルパターンが、指向性群Ｄに属する指向性パターン候補として選定される。なお、アンテナ１１，１２間の相関係数が所定値よりも低いものから選定すると効率がよく好ましい。
　また、例えば、指向性群Ａに属する指向性パターン候補は、伝送モードをＢＦモードに設定し、且つ、ＳＩＮＲの想定値を所定の閾値ＴＨ２未満且つランクの想定値を１に設定したモデル環境ＥＡで、１７９２通りの指向性モデルパターンから選定される。モデル環境ＥＡにおいて、所定のチャネル容量以上の指向性モデルパターンが、指向性群Ａに属する指向性パターン候補として選定される。なお、アンテナ１１，１２間の相関係数が所定値よりも高く且つアンテナ１１，１２の合成利得が所定の利得値Ｇ１よりも高いものから選定すると効率がよく好ましい。
　また、例えば、指向性群Ｃに属する指向性パターン候補は、伝送モードをマルチユーザＭＩＭＯモード（ＳＤＭＡモード）に設定し、且つ、ＳＩＮＲの想定値を所定の閾値ＴＨ３以上且つランクの想定値を１に設定したモデル環境ＥＣで、１７９２通りの指向性モデルパターンから選定される。モデル環境ＥＣにおいて、所定のチャネル容量以上の指向性モデルパターンが、指向性群Ｃに属する指向性パターン候補として選定される。なお、アンテナ１１，１２間の相関係数が所定値よりも高いものから選定すると効率がよく好ましい。
　また、例えば、指向性群Ｂに属する指向性パターン候補は、伝送モードを送信ダイバーシティモードに設定し、且つ、ＳＩＮＲの想定値を所定の閾値ＴＨ４未満且つランクの想定値を２以上に設定した環境ＥＢで、１７９２通りの指向性モデルパターンから選定される。モデル環境ＥＢにおいて、所定のチャネル容量以上の指向性モデルパターンが、指向性群Ｂに属する指向性パターン候補として選定される。なお、アンテナ１１，１２間の相関係数が所定の係数値よりも低く且つアンテナ１１，１２の合成利得が所定の利得値Ｇ２よりも高いものから選定すると効率がよく好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 　表２は、メモリ３２に予め格納される指向性群Ａに属する指向性パターン候補を例示した表である。形状パターンＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は、１７９２通りの指向性モデルパターンから上述のように選定された４つの指向性モデルパターンである。さらに、角度パターンＡ１－１，Ａ１－２，・・・Ａ１－１２のそれぞれは、形状が互いに同じでピーク利得方向のみが互いに異なる形状パターンを有している。例えば、形状パターンＡ１は、ピーク利得方向が３０°毎に異なる１２個の角度パターンＡ１－１，Ａ１－２，・・・Ａ１－１２を有している。したがって、表２の場合、４８（＝１２×４）通りの指向性パターンが、指向性群Ａに属する指向性パターン候補として、メモリ３２に予め格納されている。
　他の指向性群Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれに属する指向性パターン候補も、指向性群Ａに属する指向性パターン候補と同様に、メモリ３２に予め格納されている。
＜指向性パターンの選択と設定＞
　コントローラ３１は、例えば、指向性群Ａに属する指向性パターン候補がアンテナ１１，１２に設定する指向性パターンとして選択された場合、選択された指向性群Ａに属する指向性パターン候補のうち最適な指向性パターンを特定する必要がある。コントローラ３１は、この場合、選択された指向性群Ａに属する指向性パターン候補をそれぞれアンテナ１１，１２に順次設定する。信号処理回路３０は、指向性群Ａに属する各指向性パターン候補が設定される毎のアンテナ１１，１２の受信信号のＳＩＮＲを測定する。コントローラ３１は、選択された指向性群Ａに属する指向性パターン候補のうち、ＳＩＮＲの測定値が最も大きな指向性パターンを、アンテナ１１，１２に設定する指向性パターンに選択する。これにより、現在の環境で最もチャネル容量が得られる指向性パターンをアンテナ１１，１２に設定できる。
　他の指向性群Ｂ，Ｃ，Ｄに属する指向性パターン候補がアンテナ１１，１２に設定する指向性パターンとして選択された場合も同様である。
　図７は、アンテナ指向性制御システム１０によって実施される指向性パターンの選択方法の一例を示したフローチャートである。
　ステップＳ１０で、無線通信装置１００が電源入力により起動すると、コントローラ３１は、メモリ３２に予め記憶された基準指向性パターンを選択し、指向性制御回路２１，２２は、選択された基準指向性パターンをアンテナ１１，１２に設定する。
　ステップＳ２０で、信号処理回路３０は、基準指向性パターンが設定されたアンテナ１１，１２によって得られた受信信号のＳＩＮＲを測定する。ステップＳ３０において、ＳＩＮＲの測定値が前回の測定値に対して所定の変動幅以上変動している場合、ステップＳ４０が実施され、ＳＩＮＲの測定値が前回の測定値に対して所定の変動幅以上変動していない場合、ステップＳ２０が再実施される。
　ステップＳ４０で、コントローラ３１は、ＳＩＮＲの測定値が所定の閾値以上であるか否かを判定し、ＳＩＮＲの測定値が所定の閾値以上である場合、ステップＳ５０が実施され、ＳＩＮＲの測定値が所定の閾値未満である場合、ステップＳ２５０が実施される。
　コントローラ３１は、ステップＳ５０で得られたランクの測定値が２以上である場合、アンテナ１１，１２に設定する指向性パターンに、ＭＩＭＯ空間多重モードに適した指向性群Ｄを選択する（ステップＳ７０）。このとき、コントローラ３１は、表２と同様にメモリ３２に予め格納された指向性群Ｄの形状パターンＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４のうち、例えば、ピーク利得方向０°の角度パターンＤ１－１～Ｄ４－１をアンテナ１１，１２に順次設定し、各角度パターンＤ１－１～Ｄ４－１が設定される毎のアンテナ１１，１２の受信信号のＳＩＮＲを測定する。コントローラ３１は、選択された指向性群Ｄに属する角度パターンＤ１－１～Ｄ４－１のうち、ＳＩＮＲの測定値が最も大きな角度パターンが属している形状パターンを、アンテナ１１，１２に設定する仮の指向性パターンと決定する。
　例えば、ステップＳ７０で決定された仮の指向性パターンが形状パターンＤ１であるとする。ステップＳ８０で、コントローラ３１は、ステップＳ７０で選択された形状パターンＤ１の角度を変化させる角度スキャンを行って、ＳＩＮＲの測定値が最大となる指向性パターンを特定する。
　例えば、コントローラ３１は、表２と同様にメモリ３２に予め格納された形状パターンＤ１に属する複数の角度パターン（例えば、形状が互いに同じでピーク利得方向のみが互いに異なる１２個の角度パターンＤ１－１～Ｄ１－１２）をアンテナ１１，１２に順次設定する角度スキャンを行う。信号処理回路３０は、形状パターンＤ１に属する各角度パターンＤ１－１～Ｄ１－１２が設定される毎のアンテナ１１，１２の受信信号のＳＩＮＲを測定する。コントローラ３１は、選択された形状パターンＤ１に属する角度パターンのうち、ＳＩＮＲの測定値が最も大きな角度パターンを、アンテナ１１，１２に設定する指向性パターンとして特定する。
　なお、ＭＩＭＯ空間多重モードの場合、充分なマルチパスが得られるランクが２以上であり、水平面内の角度広がりσｐが広いことが想定されるので、ステップＳ８０の角度スキャンは省略してもよい。
　ステップＳ９０で、指向性制御回路２１，２２は、特定された角度パターンを、アンテナ１１，１２に設定する。これにより、現在の環境で最も高いチャネル容量が得られる指向性パターンをアンテナ１１，１２に設定できる。ステップＳ９０の後、ステップＳ１００でステップＳ２０に戻り、ステップＳ２０の処理が再び実行される。
　一方、コントローラ３１は、ステップＳ５０で得られたランクの測定値が２未満である場合、アンテナ１１，１２に設定する指向性パターンに、マルチユーザＭＩＭＯモード（ＳＤＭＡモード）に適した指向性群Ｃを選択する（ステップＳ１７０）。ステップＳ１８０乃至Ｓ２００の説明については、ステップＳ８０乃至Ｓ１００と同様の処理のため、省略する。
　他方、コントローラ３１は、ステップＳ２５０で得られたランクの測定値が２以上である場合、アンテナ１１，１２に設定する指向性パターンに、送信ダイバーシティモードに適した指向性群Ｂを選択する（ステップＳ２７０）。ステップＳ２８０乃至Ｓ３００の説明については、ステップＳ８０乃至Ｓ１００と同様の処理のため、省略する。
　同様に、コントローラ３１は、ステップＳ２５０で得られたランクの測定値が２未満である場合、アンテナ１１，１２に設定する指向性パターンに、ＢＦモードに適した指向性群Ａを選択する（ステップＳ３７０）。ステップＳ３８０乃至Ｓ４００の説明については、ステップＳ８０乃至Ｓ１００と同様の処理のため、省略する。
＜指向性パターン候補の作成例２＞
　上述の作成例１は、指向性パターン候補をコンピュータ上のアンテナモデルに基づいて作成する例である。作成例２は、実際に製作されたアンテナと、そのアンテナの指向性を制御する制御回路とを用いて得られた複数の指向性パターンに基づいて、メモリ３２に予め格納される指向性パターン候補を作成する例である。
　図８は、メモリ３２に予め格納される指向性パターン候補を作成するための指向性パターンの形状例を示したパターン図である。図８は、実際に製作されたアンテナ１１，１２が設けられた平面における特定の偏波成分、例えばＸＹ平面における垂直偏波成分の指向性パターンを概念的に示している。
　図８は、主ビームの方向が互いに異なるように制御回路がアンテナの指向性を制御することにより得られた７通りの指向性パターンを示す。主ビームの方向は、－９０°から９０°までの異なる方向を持つ７通りである。これらの７通りの指向性パターンが互いに同一形態のアンテナ１１，１２のそれぞれに適用されることにより、アンテナ１１，１２の指向性の制御により生成可能な２８（＝７＋１Ｃ２）通りの合成指向性パターンが得られる。
　図９は、指向性パターンの測定データに基づくアンテナ間の相関係数が互いに異なる４通りの指向性パターンで５通りの角度広がりσｐについてＭＩＭＯモードで伝送したときの、ＳＩＮＲにおけるチャネル容量の解析データの一例を示すグラフである。図１０は、指向性パターンの測定データに基づくアンテナ間の相関係数が互いに異なる４通りの指向性パターンで５通りの角度広がりσｐについてＢＦモードで伝送したときの、ＳＩＮＲにおけるチャネル容量の解析データの一例を示すグラフである。図９，１０は、水平面内の角度広がりσｐが１０°，３０°，５０°，１００°，２００の５通りの場合を示す。
　図９，１０において、「Ｄｉｒ＃１　Ｄｉｒ＃７」とは、図８に示した指向性パターンＤｉｒ＃１がアンテナ１１に設定され、且つ、指向性パターンＤｉｒ＃７がアンテナ１２に設定されたときの解析データを示す。「Ｄｉｒ＃３　Ｄｉｒ＃６」、「Ｄｉｒ＃４　Ｄｉｒ＃５」、「Ｄｉｒ＃１　Ｄｉｒ＃１」についても同様の意味である。アンテナ１１，１２間の相関係数は、「Ｄｉｒ＃１　Ｄｉｒ＃７」、「Ｄｉｒ＃３　Ｄｉｒ＃６」、「Ｄｉｒ＃４　Ｄｉｒ＃５」、「Ｄｉｒ＃１　Ｄｉｒ＃１」の順に高い。
　これらの４通りの指向性パターンが設定されたアンテナ１１，１２間の相関係数は、平均到来角ｍｐを０°から３５０°まで１０°間隔で３６通り変化させ、それらの平均到来角それぞれについて式３に基づき算出された相関係数の平均値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　上掲の式１は、垂直偏波のみが考慮された簡略式であるが、式３は、垂直偏波と水平偏波の両方が考慮された式である。ＸＰＲは交差偏波電力比、Ｅθｎ（Ω）Ｅ＊ θｎ（Ω），Ｅφｎ（Ω）Ｅ＊ φｎ（Ω）はアンテナの複素電界指向性を表す（ｎ＝１，２）。Ｐθ（Ω），Ｐφ（Ω）は到来波の角度分布、βは波数、ｘはアンテナ間の位相差を表す。θは仰角、φは水平面内の方位角を表す。Ωは球面座標系における座標点（θ，φ）を表す。式３の詳細については、例えば非特許文献３を詳細されたい。
　また、図９，１０におけるチャネル容量は、水平面内の平均到来角ｍｐを０°から３５０°まで１０°間隔で変化させ、３６通りの平均チャネル容量を算出して、それらの中の最大値（最大チャネル容量）を表す。
　図９に示されるように、ＭＩＭＯモードで伝送する場合、相関係数の低いアンテナの組み合わせほど、チャネル容量を上げることができる。そして、角度広がりσｐが大きくなる環境（つまり、充分なマルチパスが得られる環境）ほど、チャネル容量を上げることができる。
　一方、図１０に示されるように、ＢＦモードで伝送する場合、相関係数の高いアンテナの組み合わせほど、チャネル容量を上げることができる。そして、角度広がりσｐが小さくなる環境（つまり、充分なマルチパスが得られない環境）ほど、チャネル容量を上げることができる。
　図１１は、ＭＩＭＯモードとＢＦモードで伝送したときの、ＳＩＮＲとチャネル容量との解析データの一例を示すグラフである。図１１は、水平面内の角度広がりσｐが１０°，３０°，５０°，１００°，２００の５通りの場合を示す。図１１に示されるＭＩＭＯモードの解析データは、図８で得られる２８通りの合成指向性パターンのうち、相関係数の低い順にピックアップした５通りの指向性パターンで伝送した場合を示す。図１１に示されるＢＦモードの解析データは、図８で得られる２８通りの合成指向性パターンのうち、相関係数の高い順にピックアップした５通りの指向性パターンで伝送した場合を示す。
　例えば、このようにピックアップされた５通りの指向性パターンが、指向性パターン候補として、メモリ３２に格納される。また、水平面内の角度広がりσｐが大きくなるほど、ランクは高くなる。
　したがって、図１１によれば、コントローラ３１は、例えば、ＳＩＮＲの測定値が所定の第１の閾値ｔｈ１以上であり且つランクの測定値が所定の第２の閾値ｔｈ２以上である場合、上記の５通りの低相関の指向性パターンのいずれかを用いてＭＩＭＯモードで伝送することにより、チャネル容量を上げることができる。
　また、コントローラ３１は、例えば、ＳＩＮＲの測定値が所定の第１の閾値ｔｈ１未満であり且つランクの測定値が所定の第２の閾値ｔｈ２未満である場合、上記の５通りの高相関の指向性パターンのいずれかを用いてＢＦモードで伝送することにより、チャネル容量を上げることができる。
　以上、アンテナ指向性制御システムを実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
　例えば、本発明は、３つ以上のアンテナを有する場合にも適用できる。
　また、表１に例示した指向性パターン候補は、ＳＩＮＲの測定値の大小を判別するための閾値を１つに設定し、且つ、ランクの測定値の大小を判別するための閾値を１つに設定することで、４つの指向性群に分けられている。しかしながら、ＳＩＮＲの測定値の大小を判別するための閾値を２つ以上に設定、又は、ランクの測定値の大小を判別するための閾値を２つ以上に設定することで、指向性パターン候補は、４つを超える数の指向性群に分けられてもよい。
　本国際出願は、２０１３年８月２９日に出願した日本国特許出願第２０１３－１７８６７０号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１３－１７８６７０号の全内容を本国際出願に援用する。
１０　アンテナ指向性制御システム
１１，１２　アンテナ
２１，２１　指向性制御回路
３０　信号処理回路
３１　コントローラ（選択手段の一例）
３２　メモリ（記憶装置）
１００　無線通信装置

Claims (12)

  1. 　指向性が可変である複数のアンテナと、
    　前記複数のアンテナの受信信号に関する受信信号品質及びチャネル品質を測定する測定手段と、
    　前記受信信号品質の測定値及び前記チャネル品質の測定値に応じて、予め用意された複数の指向性パターン候補から、前記複数のアンテナに設定する指向性パターンを選択する選択手段と、
    　選択された指向性パターンを前記複数のアンテナに設定する設定手段とを備える、アンテナ指向性制御システム。
  2. 　前記選択手段は、前記受信信号品質の測定値が第１の閾値以上であり且つ前記チャネル品質の測定値が第２の閾値以上である場合、前記チャネル品質の測定値が第２の閾値未満である場合に選択する指向性パターンに比べて前記複数のアンテナ間の相関が低い指向性パターンを、前記指向性パターン候補から選択する、請求項１に記載のアンテナ指向性制御システム。
  3. 　前記選択手段は、前記受信信号品質の測定値が第１の閾値未満であり且つ前記チャネル品質の測定値が第２の閾値未満である場合、前記チャネル品質の測定値が第２の閾値以上である場合に選択する指向性パターンに比べて前記複数のアンテナ間の相関が高く且つ前記複数のアンテナの合成利得が所定の利得値よりも高い指向性パターンを、前記指向性パターン候補から選択する、請求項１又は２に記載のアンテナ指向性制御システム。
  4. 　前記選択手段は、前記受信信号品質の測定値が第１の閾値以上であり且つ前記チャネル品質の測定値が第２の閾値未満である場合、前記チャネル品質の測定値が第２の閾値以上である場合に選択する指向性パターンに比べて前記複数のアンテナ間の相関が高い指向性パターンを、前記指向性パターン候補から選択する、請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
  5. 　前記選択手段は、前記受信信号品質の測定値が第１の閾値未満であり且つ前記チャネル品質の測定値が第２の閾値以上である場合、前記チャネル品質の測定値が第２の閾値未満である場合に選択する指向性パターンに比べて前記複数のアンテナ間の相関が低く且つ前記複数のアンテナの合成利得が所定の利得値よりも高い指向性パターンを、前記指向性パターン候補から選択する、請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
  6. 　前記選択手段は、前記指向性パターン候補から選択された複数の指向性パターンをそれぞれ前記複数のアンテナに設定したときの前記受信信号品質の測定値に基づいて、前記選択された複数の指向性パターンから、前記複数のアンテナに設定する指向性パターンを選択する、請求項１から５のいずれか一項に記載のアンテナ指向性制御システム。
  7. 　前記複数のアンテナに設定する指向性パターンは、前記選択された複数の指向性パターンのうち前記受信信号品質の測定値が最大の指向性パターンである、請求項６に記載のアンテナ指向性制御システム。
  8. 　前記複数のアンテナに設定する指向性パターンは、前記選択された複数の指向性パターンの角度を変化させて前記受信信号品質の測定値が最大となる指向性パターンである、請求項７に記載のアンテナ指向性制御システム。
  9. 　前記受信信号品質は、ＳＩＮＲであり、
    　前記チャネル品質は、ランクであり、
    　前記選択手段は、ＳＩＮＲの測定値が第１の閾値以上であり且つランクの測定値が２以上である場合、ランクの測定値が１である場合に選択する指向性パターンに比べて前記複数のアンテナ間の相関が低い指向性パターンを、前記指向性パターン候補から選択する、請求項１又は２に記載のアンテナ指向性制御システム。
  10. 　前記受信信号品質は、ＳＩＮＲであり、
    　前記チャネル品質は、ランクであり、
    　前記選択手段は、ＳＩＮＲの測定値が第１の閾値未満であり且つランクの測定値が１である場合、ランクの測定値が２以上である場合に選択する指向性パターンに比べて前記複数のアンテナ間の相関が高く且つ前記複数のアンテナの合成利得が所定の利得値よりも高い指向性パターンを、前記指向性パターン候補から選択する、請求項１又は３に記載のアンテナ指向性制御システム。
  11. 　前記受信信号品質は、ＳＩＮＲであり、
    　前記チャネル品質は、ランクであり、
    　前記選択手段は、ＳＩＮＲの測定値が第１の閾値以上であり且つランクの測定値が１である場合、ランクの測定値が２以上である場合に選択する指向性パターンに比べて前記複数のアンテナ間の相関が高い指向性パターンを、前記指向性パターン候補から選択する、請求項１又は４に記載のアンテナ指向性制御システム。
  12. 　前記受信信号品質は、ＳＩＮＲであり、
    　前記チャネル品質は、ランクであり、
    　前記選択手段は、ＳＩＮＲの測定値が第１の閾値未満であり且つランクの測定値が２以上である場合、ランクの測定値が１である場合に選択する指向性パターンに比べて前記複数のアンテナ間の相関が低く且つ前記複数のアンテナの合成利得が所定の利得値よりも高い指向性パターンを、前記指向性パターン候補から選択する、請求項１又は５に記載のアンテナ指向性制御システム。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020523865A (ja) * 2017-06-14 2020-08-06 ソニー株式会社 アダプティブアンテナ構成
JP7131858B1 (ja) 2021-03-23 2022-09-06 株式会社光電製作所 送信装置、送信方法、およびプログラム

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016086365A1 (en) * 2014-12-03 2016-06-09 Nokia Solutions And Networks Oy Control of transmission mode selection
US10205491B2 (en) * 2015-09-28 2019-02-12 Futurewei Technologies, Inc. System and method for large scale multiple input multiple output communications
JP2019024148A (ja) * 2015-12-02 2019-02-14 シャープ株式会社 通信装置および通信方法
US10715233B2 (en) * 2017-08-31 2020-07-14 Qualcomm Incorporated Sounding reference signal (SRS) transmit antenna selection
WO2021084592A1 (ja) * 2019-10-28 2021-05-06 ソニー株式会社 情報処理装置、通信装置、情報処理方法、通信方法、情報処理プログラム、及び通信プログラム
JP2022121916A (ja) * 2021-02-09 2022-08-22 株式会社東海理化電機製作所 通信装置、制御装置、プログラムおよびシステム

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007525119A (ja) * 2004-02-06 2007-08-30 インターデイジタル テクノロジー コーポレーション 切替型ビームアンテナシステムにおける、ビーム切替の過渡的な影響を低減するための方法および装置
JP2007228211A (ja) * 2006-02-23 2007-09-06 Hitachi Communication Technologies Ltd 無線通信方法、基地局及び無線通信システム
JP2008544653A (ja) * 2005-06-16 2008-12-04 クゥアルコム・インコーポレイテッド Ｍｉｍｏシステムのロバストランク予測

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5344978B2 (ja) * 2009-04-22 2013-11-20 パナソニック株式会社 指向性パターン決定方法
JP5258672B2 (ja) * 2009-06-02 2013-08-07 パナソニック株式会社 無線通信装置、無線通信方法、プログラム、及び集積回路
JP5159863B2 (ja) * 2010-11-15 2013-03-13 株式会社東芝 無線基地局装置、無線部制御装置及び無線通信方法
JP5432882B2 (ja) * 2010-11-25 2014-03-05 株式会社日立製作所 分散アンテナシステム、分散アンテナ切替方法、基地局装置及びアンテナスイッチ装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007525119A (ja) * 2004-02-06 2007-08-30 インターデイジタル テクノロジー コーポレーション 切替型ビームアンテナシステムにおける、ビーム切替の過渡的な影響を低減するための方法および装置
JP2008544653A (ja) * 2005-06-16 2008-12-04 クゥアルコム・インコーポレイテッド Ｍｉｍｏシステムのロバストランク予測
JP2007228211A (ja) * 2006-02-23 2007-09-06 Hitachi Communication Technologies Ltd 無線通信方法、基地局及び無線通信システム

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020523865A (ja) * 2017-06-14 2020-08-06 ソニー株式会社 アダプティブアンテナ構成
JP7131858B1 (ja) 2021-03-23 2022-09-06 株式会社光電製作所 送信装置、送信方法、およびプログラム
JP2022147144A (ja) * 2021-03-23 2022-10-06 株式会社光電製作所 送信装置、送信方法、およびプログラム

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