JP7581920B2 - 無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビームフォーミングを行う無線通信装置に係わる。

近年、無線通信の多重化またはセンシング（レーダ）の高精度化を実現するための技術の１つとして、ビームフォーミングが実用化されている。ビームフォーミングを行う無線通信装置は、アレイ状に配置された複数のアンテナ素子を備える。以下、ビームフォーミングを行う無線通信装置を「ビームフォーミング無線機」と呼ぶことがある。

ビームフォーミング無線機は、複数のアンテナ素子を使用して、各端末に対してビームを形成する。例えば、ビームフォーミング無線機は、各アンテナ素子を介して送信する信号の位相および／または振幅を端末の位置に応じて制御することで、送信ビームの向きを制御する。また、ビームフォーミング無線機は、各アンテナ素子を介して受信する信号の位相および／または振幅を端末の位置に応じて制御することで、受信ビームの向きを制御することもできる。

ただし、目的端末に向けて希望ビーム（送信／受信ビーム）を形成すると、サイドローブが形成される。サイドローブは、希望ビームのメインローブとは異なる方向に形成される。そして、サイドローブは、他の端末に対して干渉ビームとして作用することがある。このため、サイドローブによる干渉を抑圧する技術が提案されている。

例えば、通信相手からの到来波と他の到来波の方向、強度、および数を検知し、それらに基づいてサイドローブを抑圧する演算を行うアンテナ装置が提案されている（例えば、特許文献１）。また、ビームパターンを適応させる方法が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２０１７－０７９４３４ 特表２０１８－５１２７８０

従来技術（例えば、特許文献１に記載されている技術）においては、受信電力に基づいてサイドローブを抑圧するための演算が行われる。このため、干渉の検知からサイドローブの抑圧までに要する時間が長くなってしまう。よって、ビームを高速で変化させることが要求される無線通信システムでは、サイドローブを適切に抑圧できないことがある。例えば、５Ｇ通信においては、シンボル単位でビームを変化させることが要求されることがある。この場合、サイドローブを適切に抑圧できないと、無線通信の品質が劣化してしまう。

本発明の１つの側面に係わる目的は、ビームフォーミングを行う無線通信システムにおいて、サイドローブを抑圧する処理の高速化を図ることである。

本発明の１つの態様に係わる無線通信装置は、予め指定された複数のメインローブ方向それぞれにビームを形成したときに得られる電波強度の指向性を表す指向性情報を保存する保存部と、第１のメインローブ方向に第１の信号を送信するための第１のビームを形成し、且つ、第２のメインローブ方向に第２の信号を送信するための第２のビームを形成する指示が与えられたときに、前記指向性情報に基づいて、前記第１のビームに対する前記第２のビームからの干渉量を計算する干渉計算部と、前記干渉量に基づいて、前記第１のメインローブ方向において前記第２の信号をキャンセルするためのキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成部と、前記キャンセル信号が加算された前記第１の信号を送信する無線回路と、を備える。

上述の態様によれば、ビームフォーミングを行う無線通信システムにおいて、サイドローブを抑圧する処理の高速化が実現される。

本発明の実施形態に係わる無線通信システムの一例を示す図である。 希望ビームと他のビームのサイドローブとの干渉の一例を示す図である。 ビームフォーミング無線機のハードウェア構成の一例を示す図である。 ビームフォーミング無線機の機能の一例を示す図である。 ビームフォーミング無線機が形成し得るビームの一例を示す図である。 ビームフォーミング無線機の送信回路の一例を示す図である。 送信信号に対してビームを割り当てる方法の一例を示す図である。 位相テーブルの一例を示す図である。 指向性情報の一例を示す図である。 ビームテーブルに保存される指向性情報の一例を示す図である。 希望ビームと妨害ビームとの干渉の一例を示す図である。 ビームフォーミング無線機から目的端末への送信の一例を示す図である。 キャンセル信号が送信されるケースでの電波の状態の一例を示す図である。 ビームフォーミング無線機の送信動作の一例を示すフローチャートである。 受信ビーム間の干渉の一例を示す図である。 ビームフォーミング無線機の受信回路の一例を示す図である。 ビームフォーミング無線機の受信動作の一例を示すフローチャートである。

図１は、本発明の実施形態に係わる無線通信システムの一例を示す。この実施例では、無線通信システムは、ビームフォーミング無線機１および複数の端末１００を備える。

ビームフォーミング無線機１は、例えば、基地局装置またはアクセスポイントであり、複数の端末１００と通信を行うことができる。また、ビームフォーミング無線機１は、複数のアンテナ素子を含む指向性アンテナを備え、各端末１００に対してビーム（送信ビームおよび受信ビーム）を形成できる。

端末１００は、例えば、ユーザ装置（ＵＥ）であり、ビームフォーミング無線機１と通信を行うことができる。図１に示す例では、ビームフォーミング無線機１の通信エリア内に２台の端末１００が位置している。なお、以下の記載では、２台の端末１００と「ＵＥ＃０」および「ＵＥ＃１」と呼ぶことがある。

ビームフォーミング無線機１は、ＵＥ＃０に信号を送信するときは、図１（ａ）に示すように、希望ビーム＃０を形成する。ただし、ビームを形成すると、メインローブとは異なる方向にサイドローブが現れる。なお、サイドローブの強度は、メインローブよりも弱い。以下の記載では、希望ビーム＃０のサイドローブを「サイドローブ＃０」と呼ぶことがある。

同様に、ＵＥ＃１に信号を送信するときは、図１（ｂ）に示すように、ビームフォーミング無線機１は、希望ビーム＃１を形成する。この場合も、メインローブとは異なる方向にサイドローブが現れる。以下の記載では、希望ビーム＃１のサイドローブを「サイドローブ＃１」と呼ぶことがある。

ビームフォーミング無線機１がＵＥ＃０およびＵＥ＃１にそれぞれ信号を送信するときには、図１（ａ）に示す希望ビーム＃０および図１（ｂ）に示す希望ビーム＃１が形成される。このとき、各希望ビームに対してそれぞれサイドローブが現れる。このため、いずれかの端末１００に対して形成される希望ビームと他の希望ビームのサイドローブとが干渉することがある。この例では、図１（ｃ）に示すように、ＵＥ＃０に信号を送信するための希望ビーム＃０は、ＵＥ＃１に信号を送信するための希望ビーム＃１のサイドローブ＃１から干渉を受ける。この場合、ＵＥ＃０において、受信信号の品質が劣化することがある。なお、図１（ｃ）においては、サイドローブ＃１は黒色で描かれている。また、ＵＥ＃１に信号を送信するための希望ビーム＃０のメインローブは、図面を見やすくするために省略されている。

図２は、希望ビームと他のビームのサイドローブとの干渉の一例を示す。この例では、図１（ｃ）に示すケースにおいて、ビームフォーミング無線機１からＵＥ＃０に向かう信号を表している。なお、ＵＥ＃０に送信すべき信号Ｓ０およびＵＥ＃１に送信すべき信号Ｓ１がビームフォーミング無線機１に与えられる。

この場合、ビームフォーミング無線機１は、図１（ａ）に示すビーム＃０を形成して信号Ｓ０を送信する。また、ビームフォーミング無線機１は、図１（ｂ）に示すビーム＃１を形成して信号Ｓ１を送信する。このとき、ビーム＃１のサイドローブ（すなわち、サイドローブ＃１）が現れる。ここで、サイドローブ＃１は、図１（ｃ）に示すように、ＵＥ＃０に向いているものとする。この場合、信号Ｓ１は、サイドローブ＃１により、ＵＥ＃０に向けて伝搬する。なお、以下の記載では、サイドローブ＃１により伝送される信号Ｓ１を「Ｓ１＿ｓ」または「干渉信号Ｓ１＿ｓ」と呼ぶことがある。

ＵＥ＃０は、図２に示すように、信号Ｓ０および信号Ｓ１＿ｓを受信する。このとき、信号Ｓ０は、ＵＥ＃０が受信すべき信号であり、信号Ｓ１＿ｓは、ＵＥ＃０が受信すべきではない信号である。すなわち、信号Ｓ１＿ｓは、信号Ｓ０に対する干渉成分である。ただし、信号Ｓ０がメインローブにより伝搬されるのに対して、信号Ｓ１＿ｓはサイドローブにより伝搬される。このため、信号Ｓ０と比較して、信号Ｓ１＿ｓの電力は小さい。

ビームフォーミング無線機１は、上述の干渉成分を抑圧する機能を備える。図２に示す例では、ビームフォーミング無線機１は、信号Ｓ０に対して干渉成分として作用する信号Ｓ１＿ｓを抑圧する。この場合、ビームフォーミング無線機１は、信号Ｓ１＿ｓをキャンセルするためのキャンセル信号を生成する。そして、このキャンセル信号は、信号Ｓ０と共に、ビーム＃０で送信される。そうすると、信号Ｓ１＿ｓおよびキャンセル信号が互いに相殺され、信号Ｓ０に対する干渉が抑圧される。

図３は、ビームフォーミング無線機１のハードウェア構成の一例を示す。ビームフォーミング無線機１は、通信インタフェース１１、記憶装置１２、プロセッサ１３、メモリ１４、および無線通信回路１５を備える。なお、ビームフォーミング無線機１は、図３に示していない他の回路またはデバイスを備えてもよい。

通信インタフェース１１は、上位装置と接続し、ビームを形成するための制御情報を上位装置から受信する。ビームフォーミング無線機１から端末１００に送信するデータは、アプリケーションから通信インタフェース１１に与えられる。また、ビームフォーミング無線機１が端末１００から受信したデータは、通信インタフェース１１を介してアプリケーションに渡される。

記憶装置１２には、ビームフォーミング無線機１の動作を記述した通信プログラムが格納されている。また、後述する指向性情報および位相テーブルが記憶装置１２に格納されている。

プロセッサ１３は、記憶装置１２に格納されている通信プログラムを実行することによりビームフォーミング無線機１の動作を制御する。このとき、プロセッサ１３は、指向性情報および位相テーブルを参照して端末装置１００と通信を行う。なお、ビームを形成する処理もプロセッサ１３により実行される。メモリ１４は、プロセッサ１３の作業領域として使用される。

無線通信回路１５は、無線送信機および無線受信機を備える。無線送信機は、プロセッサ１３により処理された信号を目的端末に送信する。無線受信機は、端末から送信される信号を受信する。受信信号は、プロセッサ１３に渡される。

図４は、ビームフォーミング無線機１の機能の一例を示す。なお、ビームフォーミング無線機１は、不図示の上位装置に接続されている。上位装置は、ビームフォーミング無線機１に収容される端末を管理し、各端末に対応するビームを形成するためのビーム設定情報を生成する。また、上位装置は、各端末に送信するデータを生成する。

通信インタフェース１１は、上位装置ＩＦ１１ａおよび送受信設定部１１ｂを備える。上位装置ＩＦ１１ａは、上位装置から送信データを受け取る。また、上位装置ＩＦ１１ａは、上位装置からビーム設定情報を受信する。ビーム設定情報は、各端末に割り当てられたビームを識別する。送受信設定部１１ｂは、上位装置ＩＦ１１ａが受信したビーム設定情報をプロセッサ１３に与える。

記憶装置１２には、指向性情報が格納されている。指向性情報は、ビームフォーミング無線機１が生成する各ビームの指向性を表す。具体的には、指向性情報は、予め指定された複数のメインローブ方向それぞれにビームを形成したときに得られる電波強度の指向性を表す。また、記憶装置１２には、プロセッサ１３により実行されるソフトウェアプログラムが格納されている。

プロセッサ１３は、ビーム形成処理部１３ａ、デジタル送信処理部１３ｂ、およびデジタル受信処理部１３ｃを備える。なお、ビーム形成処理部１３ａ、デジタル送信処理部１３ｂ、およびデジタル受信処理部１３ｃの機能は、プロセッサ１３がソフトウェアプログラムを実行することにより提供される。

ビーム形成処理部１３ａは、ビーム設定情報に基づいて、送信ビームを形成するための送信制御情報を生成する。この送信制御情報は、対応するキャンセル信号を生成するための情報を含む。また、ビーム形成処理部１３ａは、ビーム設定情報に基づいて、受信ビームを形成するための受信制御情報を生成する。この受信制御情報は、対応する干渉成分信号を生成するための情報を含む。なお、送信制御情報および受信制御情報は、記憶装置１２に格納されている指向性情報を利用して生成される。

デジタル送信処理部１３ｂは、送信制御情報に基づいて、送信データから送信信号を生成する。このとき、送信信号は、送信ビームを形成するように生成される。また、この送信信号は、キャンセル信号を含む。そして、この送信信号は、無線通信回路１５において増幅され、フィルタ１６によりフィルタリングされた後、アンテナ素子を介して出力される。

アンテナ素子に到着する受信信号は、フィルタ１６によりフィルタリングされ、無線通信回路１５において増幅された後、デジタル受信処理部１３ｃに導かれる。デジタル受信処理部１３ｃは、受信制御情報に基づいて、受信信号から受信データを再生する。このとき、受信信号は、受信ビームを形成するように処理される。また、デジタル受信処理部１３ｃは、受信信号から干渉成分を除去する。そして、再生された受信データは、上位装置ＩＦ１１ａを介して不図示の上位装置に送られる。

図５は、ビームフォーミング無線機１が形成し得るビームの一例を示す。この実施例では、ビームフォーミング無線機１は、所定の角度範囲内にビームを形成できる。図５に示す例では、－６０度～６０度の範囲内にビームが形成される。また、ビームフォーミング無線機１は、予め指定された複数のメインローブ方向それぞれにビームを形成できる。図５に示す実施例では、複数のメインローブ方向は、１０度間隔で設定されている。具体的には、－５０度、－４０度、－３０度、・・・５０度にそれぞれメインローブ方向が設定されている。そして、各メインローブ方向に形成されるビームに対して識別番号（ＩＤ１～ＩＤｎ）が付与されている。なお、ビームフォーミング無線機１が偏波多重通信を行うときは、各メインローブ方向に２つのビームを形成できる。

図６は、ビームフォーミング無線機１の送信回路の一例を示す。送信回路２０は、移相器２１（＃０－０～＃０－３）、位相テーブル２２、ビームテーブル２３、干渉計算部２４、補正値計算部２５、補正部２６、移相器２７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）、および加算器２８を備える。なお、送信回路２０は、図６に示していない他の素子または回路を備えてもよい。また、ビームフォーミング無線機１は、この実施例では、４個のアンテナ素子を備える。更に、ビームフォーミング無線機１は、送信信号ごとに送信回路２０を備える。よって、ビームフォーミング無線機１がｎ個の端末に同時に信号を送信できるように構成されている場合、ビームフォーミング無線機１は、ｎ個の送信回路２０を備えてもよい。

送信回路２０には、送信回路２０が送信すべき信号が入力される。この例では、送信回路２０＃０に信号Ｓ０が入力されている。また、送信回路２０には、他の送信回路により送信される信号も入力される。この例では、送信回路２０＃１により送信される信号Ｓ１が送信回路２０＃０に入力されている。なお、図６では、説明を簡潔にするために、他の送信回路により送信される信号として信号Ｓ１のみが送信回路２０＃０に入力されているが、実際には、他の送信回路により送信されるすべての信号が送信回路２０＃０に入力される。

また、送信回路２０には、上位装置からビーム設定情報が与えられる。ビーム設定情報は、ビームフォーミング無線機１が形成すべきビームを識別する。ビームフォーミング無線機１が形成すべきビームは、上位装置により、送信信号の宛先端末の位置に基づいて決定される。

図７は、送信信号に対してビームを割り当てる方法の一例を示す。ここでは、ビームフォーミング無線機１は、図５に示すビームＩＤ１～ＩＤｎを形成できるものとする。この場合、ビームフォーミング無線機１がビームを形成できる角度範囲（－６０度～６０度）は、ビームＩＤ１～ＩＤｎに基づいて分割される。具体的には、１つのビームに対して１つの領域が割り当てられる。例えば、ビームＩＤ１に対して領域Ａ１（－６０度～－４５度）が割り当てられ、ビームＩＤ２に対して領域Ａ２（－４５度～－３５度）が割り当てられている。

上位装置は、ビームフォーミング無線機１に収容される各端末の位置を認識している。すなわち、上位装置は、各端末が複数の領域Ａ１～Ａｎの中のどの領域内に位置しているかを認識している。この実施例では、ＵＥ＃０が領域Ａ３内に位置し、ＵＥ＃１が領域Ａ１内に位置している。この場合、上位装置は、各端末の位置に基づいて、その端末と通信を行うためのビームを割り当てる。この実施例では、ＵＥ＃０に送信される信号Ｓ０に対してビームＩＤ３が割り当てられ、ＵＥ＃１に送信される信号Ｓ１に対してビームＩＤ１が割り当てられる。

上位装置は、この割当てを表すビーム設定情報を生成してビームフォーミング無線機１に与える。すなわち、図７に示す例では、下記のビーム設定情報がフォーミング無線機１に与えられる。
信号Ｓ０：ビームＩＤ３
信号Ｓ１：ビームＩＤ１

図６の説明に戻る。送信回路２０に入力された送信信号Ｓ０は、移相器２１（＃０－０～＃０－３）に導かれる。各移相器２１は、送信信号Ｓ０を送信するためのビームを形成するように、送信信号Ｓ０の位相を制御する。位相の制御は、位相テーブル２２に保存されている位相情報に従う。

図８は、位相テーブル２２の一例を示す。位相テーブル２２は、各ビーム（ＩＤ１、ＩＤ２、・・・）について、各アンテナを介して出力する信号の位相を表す。たとえば、ビームＩＤ１を形成するための位相情報として「ポート＃０、＃１、＃２、＃３を介して出力する信号の位相をそれぞれθ_01、θ_11、θ_21、θ_31に設定する」が設定されている。

この実施例では、送信回路２０は、ビームＩＤ３を使用して信号Ｓ０を送信する。この場合、位相テーブル２２から「ポート＃０、＃１、＃２、＃３を介して出力する信号の位相をそれぞれθ_03、θ_13、θ_23、θ_33に設定する」が読み出され、移相器２１に設定される。そうすると、移相器２１＃０－０は信号Ｓ０の位相をθ_03に設定し、移相器２１＃０－１は信号Ｓ０の位相をθ_13に設定し、移相器２１＃０－２は信号Ｓ０の位相をθ_23に設定し、移相器２１＃０－３は信号Ｓ０の位相をθ_33に設定する。

図９は、指向性情報の一例を示す。指向性情報は、位相テーブル２２に格納されている位相情報に従ってビームを形成したときに得られる、各ビームの電波強度の指向性を表す。ここでは、ビームＩＤ１～ＩＤ６の電波強度の指向性が表されている。例えば、ビームＩＤ３は、－３０度の方向にメインローブを有する。なお、指向性情報は、例えば、シミュレーションまたは測定により予め得られているものとする。そして、指向性情報は、ビームテーブル２３に保存されている。

図１０は、ビームテーブル２３に保存される指向性情報の一例を示す。指向性情報は、上述したように、各ビームの電波強度の指向性を表す。すなわち、指向性情報は、各ビームについて、所定の角度範囲における電波の強度を表す。この例では、ビームフォーミング無線機１は、－６０度～６０度の範囲内にビームを形成する。よって、指向性情報は、各ビームについて、－６０度～６０度の範囲における電波の強度を表す。なお、ビームテーブル２３には、所定の角度間隔で電波の強度が記録される。図１０に示す例では、５度間隔で電波の強度は記録されるが、より細かい間隔で電波の強度が記録されるようにしてもよい。

干渉計算部２４は、複数のビームが同時に形成されるときに、ビームテーブル２３に保存されている指向性情報に基づいて、それら複数のビーム間の干渉量を計算する。ビームフォーミング無線機１が形成するビームは、上述したように、ビーム設定情報により指定される。この実施例では、図６に示す送信回路２０＃０は、信号Ｓ０を送信するためにビームＩＤ３を形成する。また、ビームフォーミング無線機１に実装される他の送信回路により、信号Ｓ１を送信するためのビームＩＤ１が形成される。

この場合、送信回路２０＃０に実装される干渉計算部２４は、ビームＩＤ３に対するビームＩＤ１からの干渉量を計算する。具体的には、下記の計算が行われる。なお、以下の記載では、送信回路２０＃０が信号Ｓ０を送信するためのビームＩＤ３を「希望ビーム」と呼ぶことがある。また、信号Ｓ１を送信するために他の送信回路により形成されるビームＩＤ１を「妨害ビーム」と呼ぶことがある。

希望ビームＩＤ３のメインローブは、－３４度～－２６度に形成される。すなわち、希望ビームＩＤ３のメインローブ方向は－３０度である。したがって、干渉計算部２４は、ビームテーブル２３を参照し、希望ビームＩＤ３のメインローブ方向における妨害ビームＩＤ１の電波強度を取得する。この実施例では、－３０度における妨害ビームＩＤ１の電波強度は－８．３ｄＢである。

図１１は、希望ビームと妨害ビームとの干渉の一例を示す。希望ビームＩＤ３は、上述したように、－３０度の方向にメインローブを有する。ここで、メインローブ方向における希望ビームＩＤ３の強度は、０ｄＢであるものとする。また、－３０度の方向に妨害ビームＩＤ１のサイドローブが現れている。そして、この方向における妨害ビームＩＤ１の強度は、図１０に示すように、－８．３ｄＢである。よって、妨害ビームＩＤ１が雑音である場合の希望ビームＩＤ３の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）は、８．３ｄＢである。なお、信号対雑音比は、ビーム間の干渉量を表す指標の１つである。

補正値計算部２５は、希望ビームに対する妨害ビームからの干渉量が閾値を超えているか否かを判定する。この実施例では、妨害ビームが雑音である場合の希望ビームの信号対雑音比と閾値とが比較される。閾値は、特に限定されるものではないが、例えば、無線ネットワークにおいて要求される品質に基づいて予め決定されるものとする。一例として、閾値は１０ｄＢであるものとする。この場合、希望ビームＩＤ３の信号対雑音比は閾値より低いので、希望ビームに対する妨害ビームからの干渉量が閾値を超えていると判定される。

希望ビームに対する妨害ビームからの干渉量が閾値を超えているときには、補正値計算部２５は、キャンセル信号を生成するための補正値を計算する。補正値は、この実施例では、電波の強度を制御する。なお、補正値を計算する方法の実施例は、後で説明する。

補正部２６は、補正値計算部２５により計算された補正値を使用して入力信号を補正する。入力信号は、妨害ビームにより伝送される信号に相当する。この実施例では、補正部２６の入力信号は、妨害ビームＩＤ１により伝送される信号Ｓ１である。そして、補正部２６は、補正値に従って信号Ｓ１の振幅を制御する。この結果、希望ビームに対する妨害ビームからの干渉を抑圧するためのキャンセル信号が生成される。

補正部２６により補正された信号（即ち、キャンセル信号）は、移相器２７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）に導かれる。移相器２７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）の構成および動作は、移相器２１（＃０－０～＃０－３）と実質的に同じである、すなわち、移相器２７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）は、キャンセル信号の位相を制御する。このとき、移相器２７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）は、所定の方向にキャンセル信号が送信されるようにキャンセル信号の位相を制御する。すなわち、移相器（＃ｃ－０～＃ｃ－３）は、キャンセル信号を送信するためのビームを形成する。

補正値計算部２５、補正部２６、および移相器２７は、キャンセル信号を生成するキャンセル信号生成部として動作する。ここで、キャンセル信号は、希望ビームのメインローブ方向に妨害ビームにより送信される信号をキャンセルするように生成される。この実施例では、希望ビームＩＤ３のメインローブ方向に妨害ビームＩＤ１により信号Ｓ１が送信される。この場合、キャンセル信号は、希望ビームＩＤ３のメインローブ方向に妨害ビームＩＤ１により送信される信号Ｓ１をキャンセルするように生成される。一例としては、キャンセル信号は、下記の条件を満足するように生成される。

（１）キャンセル信号を送信するビームの強度は、希望ビームＩＤ３のメインローブ方向における妨害ビームＩＤ１の強度と同じである。
（２）キャンセル信号を送信するビームのメインローブの方向は、希望ビームＩＤ３と同じである。
（３）キャンセル信号により伝送されるデータは、妨害ビームＩＤ１により伝送される信号Ｓ１のデータと同じである。

この実施例では、メインローブ方向（すなわち、－３０度）において希望ビームの強度は０ｄＢである。また、このメインローブ方向における妨害ビームＩＤ１の強度は－８．３ｄＢである。よって、条件（１）を満足するためには、キャンセル信号の強度は、希望ビームを使用して送信される信号Ｓ０より－８．３ｄＢだけ低く設定する必要がある。したがって、補正値計算部２５は、補正値として、メインローブ方向における希望ビームＩＤ３の強度と妨害ビームＩＤ１の強度との差分（即ち、８．３ｄＢ）を出力する。この場合、補正部２６は、補正値に従って、信号Ｓ１の強度が８．３ｄＢだけ低くなるように信号Ｓ１の振幅を補正する。さらに、補正部２６は、この信号を反転させる。この結果、キャンセル信号が生成される。

また、キャンセル信号は、上記条件（２）に従って、希望ビームＩＤ３と同じ方向に送信される。したがって、キャンセル信号の送信方向を制御するために移相器２７に与えられる位相情報は、信号Ｓ０の送信方向を制御するために移相器２１に与えられる移相情報と同じである。すなわち、希望ビームＩＤ３を形成するための位相情報が移相器２７に与えられる。そして、各移相器２７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）は、この位相情報に従って、補正部２６から出力されるキャンセル信号の位相を制御する。なお、補正部２６の入力信号は、妨害ビームＩＤ１により送信される信号Ｓ１である。よって、上記条件（３）も満たされている。

加算器２８は、移相器２１（＃０－０～＃０－３）の出力信号に移相器２７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）の出力信号をそれぞれ加算する。すなわち、信号Ｓ０にキャンセル信号が加算される。

加算器２８の出力信号は、ポート＃０、＃１、＃２、＃３を介してそれぞれ対応するアンテナに導かれる。そして、ビームフォーミング無線機１は、これらのアンテナを介して信号Ｓ０およびキャンセル信号を送信する。

図１２は、ビームフォーミング無線機１から目的端末への送信の一例を示す。この例では、ビームＩＤ３を使用してビームフォーミング無線機１からＵＥ＃０に信号Ｓ０が送信される。また、ビームＩＤ１を使用してビームフォーミング無線機１から不図示の他の端末に信号Ｓ１が送信される。このとき、信号Ｓ１は、ビームＩＤ１のサイドローブによりＵＥ＃０に到達する。

ビームフォーミング無線機１は、ＵＥ＃０に到達する信号Ｓ１をキャンセルするためのキャンセル信号を生成する。そして、ビームフォーミング無線機１は、キャンセル信号が加算された信号Ｓ０（又は、信号Ｓ０およびキャンセル信号の合成信号）を送信する。ここで、キャンセル信号は、ビームＩＤ３と同じ方向に送信される。すなわち、信号Ｓ０およびキャンセル信号は、ビームＩＤ３によりＵＥ＃０に送信される。そうすると、ビームＩＤ１のサイドローブにより送信される信号Ｓ１は、キャンセル信号によりキャンセルされる。すなわち、ＵＥ＃０において、妨害ビームの影響が抑圧される。したがって、無線通信の品質が改善する。

図１３は、キャンセル信号が送信されるケースでの電波の状態の一例を示す。ここで、希望ビームＩＤ３および妨害ビームＩＤ１は、図１１および図１３において同じである。すなわち、希望ビームＩＤ３のメインローブは、－３０度の方向に形成される。また、妨害ビームＩＤ１のサイドローブも－３０度の方向に現れている。

ビームフォーミング無線機１は、図１３（ａ）に示すように、妨害ビームＩＤ１をキャンセルするために、キャンセル信号を送信するキャンセルビームを生成する。ここで、キャンセル信号は、妨害ビームＩＤ１により伝送される信号（上述の例では、信号Ｓ１）に基づいて生成される。一例としては、妨害ビームＩＤ１により伝送される信号を反転させることで、キャンセル信号が生成される。また、キャンセルビームの強度は、例えば、希望ビームＩＤ３のメインローブ方向における妨害ビームＩＤ１の強度と一致するように制御される。そして、キャンセルビームは、希望ビームＩＤ３のメインローブ方向に形成される。或いは、キャンセルビームは、妨害ビームＩＤ１のピークが現れる方向に形成してもよい。

上述のキャンセルビームを使用してキャンセル信号を送信すると、受信端末（図１２では、ＵＥ＃０）において、妨害ビームＩＤ１により伝送される信号およびキャンセル信号が互いにキャンセルされる。この実施例では、希望ビームＩＤ３のメインローブ方向において妨害ビームＩＤ１およびキャンセルビームの強度が互いに一致するようにキャンセルビームが生成されている。したがって、希望ビームＩＤ３のメインローブ方向において、妨害ビームＩＤ１が雑音である場合の希望ビームＩＤ３の信号対雑音比が高くなる。図１３（ｂ）に示す例では、希望ビームＩＤ３のメインローブ範囲は、－２６度～－３４度である。そして、このメインローブ範囲においては、信号対雑音比の最悪値が約１１ｄＢである。すなわち、キャンセルビームを生成することで、図１１に示すケースと比較して、通信品質が改善する。加えて、希望ビームの中心において性能を最適化できるので、複数のビーム情報を設定することにより、広い範囲にわたって良好な信号対雑音比が得られる通信システムを実現できる。

なお、移相器２１（＃０－０～＃０－３）、干渉計算部２４、補正値計算部２５、補正部２６、移相器２７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）、および加算器２８は、例えば、図３または図４に示すプロセッサ１３により実現される。この場合、プロセッサ１３が通信プログラムを実行することにより、移相器２１（＃０－０～＃０－３）、干渉計算部２４、補正値計算部２５、補正部２６、移相器２７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）、および加算器２８の機能が提供される。

図１４は、ビームフォーミング無線機１の送信動作の一例を示すフローチャートである。なお、このフローチャートの処理は、ビームフォーミング無線機１の送信回路２０により形成される各送信ビームに対して行われる。以下の記載では、図１４に示すフローチャートにより処理される送信ビームを「対象ビーム」と呼ぶことがある。

Ｓ１において、ビームフォーミング無線機１は、上位装置により生成されるビーム設定情報を取得する。ここで、上位装置は、ビームフォーミング無線機１の通信エリア内に位置する各端末にビームを割り当てる。ビーム設定情報は、ビームフォーミング無線機１が形成するビームと端末との対応関係を表す。すなわち、ビーム設定情報は、各端末へ送信される信号とビームとの対応関係を表す。例えば、図５および図７に示す例では、ＵＥ＃０に送信すべき信号Ｓ０に対してビームＩＤ３が割り当てられ、ＵＥ＃１に送信すべき信号Ｓ１に対してビームＩＤ１が割り当てられる。

Ｓ２において、干渉計算部２４は、ビーム設定情報に基づいて、対象ビーム＃ｎと同時に形成される他のビーム＃ｍが存在するか否かを判定する。以下の記載では、対象ビームと同時に形成される他のビームを「妨害ビーム」と呼ぶことがある。そして、妨害ビーム＃ｍが存在するときは、Ｓ３において、干渉計算部２４は、ビームテーブル２３に保存されている指向性情報を参照し、対象ビーム＃ｎに対する妨害ビーム＃ｍからの干渉量を計算する。干渉量は、例えば、信号対雑音比で表される。この場合、干渉計算部２４は、対象ビーム＃ｎのメインローブ方向において、対象ビーム＃ｎの強度と妨害ビーム＃ｍの強度との比を計算する。

Ｓ４において、補正値計算部２５は、干渉計算部２４により計算される干渉量が閾値より大きいか否かを判定する。閾値は、例えば、無線ネットワークにおいて要求される品質に基づいて予め決定される。そして、干渉量が閾値より大きいときは、補正値計算部２５は、Ｓ５において、キャンセルビームの強度を指定する補正値を計算する。なお、干渉量が信号対雑音比で表されるときは、その信号対雑音比が閾値より低いときに補正値が計算される。補正値は、例えば、対象ビーム＃ｎのメインローブ方向において、キャンセルビームの強度と妨害ビーム＃ｍの強度とが互いに一致するように決定される。また、補正値計算部２５は、キャンセルビームを形成する方向を指定する位相情報を生成して移相器２７に与える。キャンセルビームは、例えば、対象ビーム＃ｍと同じ方向に形成される。この場合、移相器２７に与えられる位相情報は、移相器２１に与えられる位相と同じであってもよい。

Ｓ６において、補正部２６は、妨害ビーム＃ｎにより伝送される信号を、補正値計算部２５により計算された補正値で補正する。このとき、補正部２６は、妨害ビーム＃ｎにより伝送される信号を反転させると共に、補正値に従ってその信号の振幅を補正する。これにより、キャンセル信号が生成される。

Ｓ７において、移相器２７は、キャンセル信号を送信するためのキャンセルビームを設定する。なお、キャンセルビームは、移相器２７においてキャンセル信号の位相を制御することで設定される。一例としては、キャンセルビームのメインローブが対象ビーム＃ｍのメインローブ方向に形成されるように、各移相器２７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）がそれぞれキャンセル信号の位相を制御する。

Ｓ８において、加算器２８は、ポート毎に（即ち、アンテナ素子毎に）、対象ビーム＃ｍで伝送される信号にキャンセル信号を加算する。図６に示す例では、移相器＃０－０～＃０－３の出力信号に、それぞれ、移相器＃ｃ－０～＃ｃ－３の出力信号が加算される。

Ｓ９において、各加算器２８の出力信号が対応するアンテナ素子を介して送信される。この出力信号は、キャンセル信号を含む。よって、対象ビーム＃ｍに加えてキャンセルビームが形成される。なお、加算器２８とアンテナ素子との間には、デジタル／アナログ変換器、増幅器などが実装されている。

このように、ビームフォーミング無線機１は、妨害ビームをキャンセルするためのキャンセルビームを形成する。ここで、ビームフォーミング無線機１は、予め用意されている指向性情報を利用して、希望ビームに対して干渉する妨害ビームの角度および強度を計算し、その計算結果に基づいてキャンセルビームを形成する。そして、ビームフォーミング無線機１は、希望ビームおよびキャンセルビームを合成することで、妨害ビームの影響を抑圧する。すなわち、ビームフォーミング無線機１は、キャンセルビームを形成する際に電波状況を測定する必要はないので、送信ビームを高速で変化させることが要求される無線通信システムであっても、妨害ビームのサイドローブを適切に抑圧できる。よって、シンボル単位で送信ビームを変化させることが要求される無線通信システムであっても、妨害ビームのサイドローブに起因する干渉を適切に抑圧できるので、通信品質が向上する。

なお、上述した実施例では、希望ビームに対して１つの妨害ビームが発生するが、希望ビームに対して複数の妨害ビームが発生することもある。この場合、ビームフォーミング無線機１は、各妨害ビームに対応するキャンセルビームをそれぞれ形成してもよい。

＜受信ビーム＞
ビームフォーミング無線機１は、上述したように、各端末１００に信号を送信するとともに、各端末１００から信号を受信する。端末１００から送信される信号を受信するときは、ビームフォーミング無線機１は、各端末１００に対して受信ビームを形成する。

図１５は、受信ビーム間の干渉の一例を示す。この例では、無線通信システムは、図１と同様に、ビームフォーミング無線機１および複数の端末（ＵＥ＃０およびＵＥ＃１）を備える。

ＵＥ＃０から送信される信号Ｓ０を受信するときは、ビームフォーミング無線機１は、図１５（ａ）に示すように、受信ビーム＃０を形成する。受信ビーム＃０のメインローブは、ＵＥ＃０に向かう方向に形成される。ただし、受信ビーム＃０を形成すると、対応するサイドローブ＃０が現れる。ここで、サイドローブ＃０は、ＵＥ＃１に向かう方向に現れるものとする。この場合、ＵＥ＃１が信号Ｓ１を送信すると、ビームフォーミング無線機１は、サイドローブ＃０を介して信号Ｓ１を受信してしまう。この結果、信号Ｓ０の品質が劣化してしまう。

ただし、ＵＥ＃１が信号Ｓ１を送信するときは、ビームフォーミング無線機１は、図１５（ｂ）に示すように、ＵＥ＃１に対して受信ビーム＃１を形成する。したがって、ビームフォーミング無線機１は、上述した指向性情報（例えば、図１０に示すビームテーブル２３）を参照することにより、サイドローブ＃０を介して受信する信号Ｓ１の強度を推定できる。ここで、サイドローブ＃０を介して受信する信号Ｓ１は、信号Ｓ０に対する干渉成分に相当する。よって、ビームフォーミング無線機１は、受信ビーム＃０を利用して受信する信号から、干渉成分（すなわち、サイドローブ＃０を介して受信する信号Ｓ１）を除去すれば、信号Ｓ０を取得することができる。

図１６は、ビームフォーミング無線機１の受信回路の一例を示す。受信回路４０は、移相器４１（＃０－０～＃０－３）、位相テーブル４２、ビームテーブル４３、干渉計算部４４、補正値計算部４５、補正部４６、移相器４７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）、および演算部４８を備える。なお、受信回路４０は、図１６に示していない他の素子または回路を備えてもよい。また、ビームフォーミング無線機１は、４個のアンテナ素子を備える。さらに、ビームフォーミング無線機１は、受信信号ごとに受信回路４０を備える。よって、ビームフォーミング無線機１がｎ個の端末から同時に信号を受信できるように構成されている場合、ビームフォーミング無線機１は、ｎ個の受信回路４０を備えてもよい。

移相器４１（＃０－０～＃０－３）、位相テーブル４２、ビームテーブル４３、干渉計算部４４、補正値計算部４５、補正部４６、移相器４７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）は、図６に示す移相器２１（＃０－０～＃０－３）、位相テーブル２２、ビームテーブル２３、干渉計算部２４、補正値計算部２５、補正部２６、移相器２７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）にそれぞれ対応する。

移相器４１（＃０－０～＃０－３）は、対応するアンテナ素子を介して受信する信号の位相を制御する。このとき、受信回路４０が受信すべき信号（即ち、目的信号）の到来方向に受信ビームが形成されるように、各受信信号の位相が制御される。これにより、希望受信ビームが形成される。

移相器４１（＃０－０～＃０－３）の出力信号は合成される。これにより、希望受信ビームを利用して受信した信号が得られる。但し、この受信信号は、目的信号だけでなく、干渉成分を含んでいる。図１５（ａ）に示す例では、受信ビーム＃０を利用して受信する信号は、メインローブを介して受信する信号Ｓ０およびサイドローブを介して受信する信号Ｓ１を含む。この場合、信号Ｓ０が目的信号であり、信号Ｓ１が干渉成分である。

受信回路４０は、目的信号に対する干渉成分を推定するために、目的信号と異なる他の信号（以下、干渉信号）を受信するための受信ビーム（以下、干渉信号受信ビーム）を形成する。干渉信号受信ビームは、移相器４７により形成される。

移相器４７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）は、対応するアンテナ素子を介して受信する信号の位相を制御する。ただし、移相器４７においては、干渉信号受信ビームが形成されるように、各受信信号の位相が制御される。図１５に示す例では、移相器４７により、受信ビーム＃１が形成される。そして、移相器４７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）の出力信号は合成される。これにより、干渉信号が得られる。

干渉計算部４４は、ビームテーブル４３に保存されている指向性情報を参照して、希望受信ビームのメインローブを介して受信する信号Ｓ０と希望受信ビームのサイドローブを介して受信する信号Ｓ１との間の干渉量が計算される。そして、補正値計算部４５は、この干渉量に基づいて補正値を生成する。

例えば、ビームテーブル４３に図１０に示す指向性情報が保存されているものとする。受信回路４０は、ビームＩＤ３を利用して信号Ｓ０を受信する。ビームフォーミング無線機１の他の受信回路は、ビームＩＤ２を利用して信号Ｓ１を受信する。この場合、ビームＩＤ２のメインローブの方向は－４０度である。また、－４０度の方向におけるビームＩＤ３の強度は－７．６ｄＢである。そうすると、受信回路４０がビームＩＤ３を介して受信する干渉信号（即ち、信号Ｓ１）の強度は－７．６ｄＢであると推定される。そして、補正値計算部４５は、干渉信号の強度に基づいて補正値を生成する。

補正部４６は、この補正値で、移相器４７により得られた干渉信号の振幅を補正する。なお、振幅が補正された干渉信号は、受信回路４０が希望受信ビームを使用して受信する信号に含まれる干渉成分に相当する。図１５（ａ）に示す例では、補正部４６により得られる干渉成分信号は、サイドローブ＃０を介して受信する信号Ｓ１に相当する。このように、補正値計算部４５、補正部４６、および移相器４７は、干渉成分信号を生成する干渉成分信号生成部として動作する。

演算部４８は、受信信号から補正部４６の出力信号（すなわち、干渉成分信号）を引算する。この結果、希望受信ビームによる受信信号から干渉成分が除去される。図１５に示す例では、受信ビーム＃０を使用して受信した信号から、サイドローブ＃０を介して受信した信号Ｓ１が除去され、信号Ｓ０が得られる。

なお、移相器４１（＃０－０～＃０－３）、干渉計算部４４、補正値計算部４５、補正部４６、移相器４７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）、および演算部４８は、例えば、図３または図４に示すプロセッサ１３により実現される。この場合、プロセッサ１３が通信プログラムを実行することにより、移相器４１（＃０－０～＃０－３）、干渉計算部４４、補正値計算部４５、補正部４６、移相器４７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）、および演算部４８の機能が提供される。

図１７は、ビームフォーミング無線機１の受信動作の一例を示すフローチャートである。なお、このフローチャートの処理は、ビームフォーミング無線機１の受信回路４０により形成される各受信ビームに対して行われる。以下の記載では、図１７に示すフローチャートにより処理される受信ビームを「対象受信ビーム」と呼ぶことがある。

Ｓ１１～Ｓ１５の処理は、図１４に示すＳ１～Ｓ５と実質的に同じである。すなわち、ビームフォーミング無線機１は、対象受信ビームが受信すべき信号に対する他の信号からの干渉量が閾値を越えているか否かを判定する。そして、干渉量が閾値を越えているときは、ビームフォーミング無線機１は補正値を計算する。

Ｓ１６において、ビームフォーミング無線機１は、ビーム設定情報および位相テーブル４２に基づいて、他の受信ビーム＃ｍを形成する。他の受信ビーム＃ｍは、ビーム設定情報により指定されるビームＩＤを用いて位相テーブル４２から抽出される位相情報を移相器４７（＃ｃ－０～＃ｃ－３）に設定することで形成される。そして、ビームフォーミング無線機１は、この受信ビーム＃ｍを用いて信号を受信することで干渉信号を検出する。

Ｓ１７において、補正部４６は、Ｓ１５で得られた補正値で干渉信号の振幅を補正することにより、対象受信ビーム＃ｎを介して受信した信号に含まれる干渉成分を推定する。Ｓ１８において、対象受信ビーム＃ｎを介して受信した信号から干渉成分を除去する。この結果、目的信号が得られる。

このように、ビームフォーミング無線機１は、受信ビームのサイドローブを介して受信する干渉成分を除去する機能を備える。ここで、ビームフォーミング無線機１は、予め用意されている指向性情報を利用して、希望ビームに対して干渉する信号の角度および強度を計算し、その計算結果に基づいて干渉成分を推定する。そして、ビームフォーミング無線機１は、受信信号から干渉成分を除去することで、信号の影響を抑圧する。すなわち、ビームフォーミング無線機１は、干渉成分を推定する際に電波状況を測定する必要はないので、受信ビームを高速で変化させることが要求される無線通信システムであっても、干渉成分を適切に抑圧できる。よって、シンボル単位で受信ビームを変化させることが要求される無線通信システムであっても、干渉成分を適切に抑圧できるので、通信品質が向上する。

１ ビームフォーミング無線機
１３ プロセッサ
１５ 無線通信回路
２０ 送信回路
２１ 移相器（＃０－０～＃０－３）
２２ 位相テーブル
２３ ビームテーブル
２４ 干渉計算部
２５ 補正値計算部
２６ 補正部
２７ 移相器（＃ｃ－０～＃ｃ－３）
２８ 加算器
４０ 受信回路
４１ 移相器（＃０－０～＃０－３）
４２ 位相テーブル、
４３ ビームテーブル
４４ 干渉計算部
４５ 補正値計算部
４６ 補正部
４７ 移相器（＃ｃ－０～＃ｃ－３）
４８ 演算部
１００ 端末（ＵＥ）

Claims (8)

1. ビームフォーミングを行う無線通信装置であって、
   予め指定された複数のメインローブ方向それぞれにビームを形成したときに得られる電波強度の指向性を表す指向性情報を保存する保存部と、
   第１のメインローブ方向に第１の信号を送信するための第１のビームを形成し、且つ、第２のメインローブ方向に第２の信号を送信するための第２のビームを形成する指示が与えられたときに、前記指向性情報に基づいて、前記第１のビームに対する前記第２のビームからの干渉量を計算する干渉計算部と、
   前記干渉量に基づいて、前記第１のメインローブ方向において前記第２の信号をキャンセルするためのキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成部と、
   前記キャンセル信号が加算された前記第１の信号を送信する無線通信回路と、
   を備える無線通信装置。
2. 前記干渉計算部は、前記第１のメインローブ方向における前記第１のビームの電波強度および前記第１のメインローブ方向における前記第２のビームの電波強度に基づいて前記干渉量を計算する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記キャンセル信号生成部は、
   前記干渉量に基づいて補正値を計算する補正値計算部と、
   前記補正値で前記第２の信号の振幅を補正して前記キャンセル信号を生成する補正部と、
   前記キャンセル信号が前記第１のメインローブ方向に送信されるように前記キャンセル信号の位相を制御する移相器と、を備え、
   前記移相器の出力信号が前記第１の信号に加算される
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記補正値は、前記キャンセル信号の強度が前記第１のメインローブ方向における前記第２の信号の強度と一致するように決定される
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信装置。
5. ビームフォーミングを行う無線通信装置であって、
   予め指定された複数のメインローブ方向それぞれにビームを形成したときに得られる電波強度の指向性を表す指向性情報を保存する保存部と、
   第１の信号を受信するための第１のビームを第１のメインローブ方向に形成し、且つ、第２の信号を受信するための第２のビームを第２のメインローブ方向に形成する指示が与えられたときに、前記指向性情報に基づいて、前記第１の信号に対する前記第２の信号からの干渉量を計算する干渉計算部と、
   前記干渉量に基づいて、前記第２のビームを使用して受信する信号から、前記第１のビームを介して受信する前記第２の信号を表す干渉成分信号を生成する干渉成分信号生成部と、
   前記第１のビームを使用して受信した信号から前記干渉成分信号を除去する演算部と、
   を備える無線通信装置。
6. 前記干渉計算部は、前記第１のメインローブ方向における前記第１のビームの電波強度および前記第２のメインローブ方向における前記第１のビームの電波強度に基づいて前記干渉量を計算する
   ことを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
7. 前記干渉成分信号生成部は、
   前記干渉量に基づいて補正値を計算する補正値計算部と、
   前記第２のメインローブ方向から到来する信号を受信するように受信信号の位相を制御する移相器と、
   前記補正値で前記移相器の出力信号の振幅を補正して前記干渉成分信号を生成する補正部と、を備える
   ことを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
8. 前記補正値は、前記干渉成分信号の強度が前記第１のビームを介して受信する前記第２の信号の強度と一致するように決定される
   ことを特徴とする請求項７に記載の無線通信装置。

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