JP2012191281A - 無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ミリ波帯の送受信通信システムにおいて、ビームフォーミングアンテナビームの指向性の最適通路選択を容易にする。
【解決手段】マイクロ波帯の無線システムのビームフォーミングを用いて粗い指向性を求めて、その後、粗い指向性を基にミリ波帯のビームフォーミングアンテナの指向性を決定する手段を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、指向性を制御可能な指向性アンテナを有するミリ波を用いた無線通信システムにおいて、容易にアンテナのビーム方向を確定することができる無線通信装置に関する。

本技術分野の背景技術として、例えば、特開２０１０−１５７９４４号公報（特許文献１）がある。この公報には「受信装置は、好適な信号波の通信経路を選択する好適経路選択手段と、好適経路選択手段が選択した好適な通信経路に指向性アンテナの指向性の方向を向けて、指向性アンテナに好適な通信経路を通過した信号波を受信させるアンテナ制御部とを備え、好適経路選択手段は、常時、現在受信している信号波を含む、複数の信号波の受信電力と遅延分散を測定し、測定した受信電力と遅延分散に基づいて好適な信号波の通信経路を選択し、アンテナ制御部は、指向性アンテナに好適な通信経路を通過した信号波を継続的に受信させるように動作する。」と記載されている。

特開２０１０−１５７９４４号公報

「ＩＥＥＥ Ｓｔｄ８０２．１５．３ｃ−２００９」、ＩＥＥＥ、２００９年１０月発行、ｐｐ.１２８−１３７、ｐｐ.１４８ 「ＩＥＥＥ Ｓｔｄ８０２．１１ｎ−２００９」、ＩＥＥＥ、２００９年１０月発行、ｐｐ.１４７−１７０

ミリ波帯を用いた無線通信システムは、高周波帯の電磁波を利用して短距離の無線通信や非圧縮の高精細の画像伝送などの大容量伝送に用いられ、例えば６０ＧＨｚ帯を用いた無線ＰＡＮ(Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ)の標準規格ＩＥＥＥ８０２．１５．３ｃなどがある。

家庭で普及している２．４ＧＨｚ帯や５ＧＨｚ帯のマイクロ波帯の無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）はＩＥＥＥ８０２．１１ｎの標準規格により高速化が図られて来たが、ミリ波帯を用いた無線通信システムはそれを凌駕する高速伝送の特徴を持つ。

しかしながら、ミリ波帯無線システムは周波数が高いことから強い直進性と空間伝播損失が大きいため、高いアンテナ利得をもつ指向性アンテナを用いて、送信機と受信機のアンテナの指向性を調整し対向させて通信距離を改善する。
高いアンテナ利得を１つのアンテナで得るには物理的に大きなアンテナが必要であるが、複数の小型のアンテナ素子への位相と振幅を調整して高アンテナ利得を持ちながら指向性の方向を調整できるビームフォーミングアンテナが知られている。
前述の標準規格ＩＥＥＥ８０２．１５．３ｃにおいてもビームフォーミング技術による通信が適用されている。

また、マイクロ波帯の無線ＬＡＮの標準規格ＩＥＥＥ８０２．１１ｎにおいてもＭＩＭＯ(Ｍｕｌｔｉ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ Ｏｕｔｐｕｔ)技術によるビームフォーミングのモードが適用されている。

ミリ波帯通信システムで、ビームフォーミングアンテナの指向性を最適な方向を決定する方法としては、特許文献１に開示されているように、送受信のアンテナビームの指向性を変化させて、信号対雑音比（ＳＮＲ）やビット誤り率などを考慮して最適通信路を選択する方法が一般的である。

本発明が解決しようとする問題点は、例えば、送受信のアンテナビームの指向性を順次変化させて最適通信路を選択する場合、送受信の指向性のパターン数だけ最適通信路の選択肢が存在することにある。ミリ波通信のビームアンテナの指向性は鋭いビームを使用するため、最適通信路に隣接する領域でも送信機からの信号が受信されず、順に送受信のアンテナビームの指向性を変化させて探索するしかなく、最適通信路の探索に時間を要する課題を有していた。

本発明は、第１の通信方式で無線通信を行う第１の通信手段とビームフォーミングアンテナと、前記第１の通信方式と周波数が異なる第２の通信方式で無線通信を行う第２の通信手段とビームフォーミングアンテナを有し、少なくとも第１の通信方式により粗いビームフォーミングアンテナの指向性の方向を求め、その結果を基に第２の通信方式の鋭いビームフォーミングアンテナの指向性を決定することにより、第２の通信方式は鋭いビームフォーミングアンテナの全領域を探索する必要は無く、第１の通信方式のビームフォーミングで得られた粗い指向性の近傍から探索することにより、最適通信路を早く決定できることを特徴とする。

上記の無線通信装置において、第１の通信方式に使用する周波数は、第２の通信方式に使用する周波数より低い周波数帯を使うことにより、電波の直進性や到達距離が緩和されて広い領域で受信されやすいことを特徴とする。

上記の無線通信装置において、第１の通信方式は例えばＭＩＭＯ技術を用いた無線ＬＡＮの２．４ＧＨｚあるいは５ＧＨｚマイクロ波帯で動作し、容易に実現できることを特徴とする。第２の通信方式は例えばミリ波帯である。

上記の無線通信装置において、第１の通信方式のビームフォーミングアンテナは例えばＩＥＥＥ８０２．１１ｎ等で用いられるＭＩＭＯ技術の２〜６本のアンテナ素子数であり、第２の通信方式のマイクロ波帯の高利得のビームフォーミングアンテナの素子数の例えば１０〜４０本より少ないことを特徴とする。

上記の無線通信装置において、第１の通信方式の例えばＩＥＥＥ８０２．１１ｎ等で用いられるＭＩＭＯ技術によるビームフォーミングアンテナのブロードな指向性パターン数を、第２の通信方式のミリ波帯で用いる高利得で鋭いビームフォーミングアンテナの指向性パターン数より少なくすることにより、概略の方向を高速に求められることを特徴とする。

上記の無線通信装置において、少なくともミリ波帯で動作する第２の通信方式のビームフォーミングアンテナは例えば基板上にパターン配置された複数の小アンテナからなるアレイアンテナであることを特徴とする。

本発明の無線通信装置は、第１の通信方式による通信手段のビームフォーミング用いて粗い指向性を求めて、それを基に第２の通信方式による通信手段のミリ波帯の鋭いビームフォーミングアンテナの指向性を決定することにより、全領域を探索する必要は無く、第１の通信方式のビームフォーミングで得られた指向性近傍から探索することにより、最適通信路を早く決定できる効果を有する。

無線通信装置の実施方法を示した説明図である。 無線通信装置の実施例１の第１の通信方式の通信手段のアンテナの実施方法を示した説明図である。 無線通信装置の実施例１の第２の通信方式の通信手段のアンテナの実施方法を示した説明図である。 実施例１の無線通信装置の構成例を示した説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、各実施形態において同様の構成要素については同一の符号を付している。

図１は、本発明に係る第１の実施形態であって、無線通信装置の実施方法を示す説明図である。無線通信装置１００は、無線通信装置１０１と通信を行うことを想定している。無線通信装置１００は、内部に第一の例えば無線ＬＡＮの通信方式の通信手段と第二の例えばミリ波帯の通信方式の通信手段を具備し、第一の通信方式のアンテナ２００〜２０３と、第二の通信方式のアンテナ１１０を具備する。無線通信装置１０１も同様に、内部に第一の例えば無線ＬＡＮの通信方式の通信手段と第二の例えばミリ波帯の通信方式の通信手段を具備し、第一の通信方式のアンテナ２１０〜２１３と、第二の通信方式のアンテナ１１１を具備する。アンテナパターン３００〜３０３は、第一の通信方式のアンテナ２００〜２０３による送信あるいは受信ビームのイメージ例である。無線通信装置１０１も同様であるが略している。アンテナパターン４００は第二の通信方式のアンテナ１１０による送信あるいは受信ビームのイメージ例である。無線通信装置１０１も同様であるが略している。本実施例では、無線通信装置１００の無線ＬＡＮの第一の通信方式の通信手段によって、無線通信装置１０１の発する例えばビーコンが探索され、アンテナパターン３０１方向が決定されると、第二の通信方式のアンテナ１１０によってアンテナパターン３０１方向でさらに探索されて鋭いアンテナパターン４００によってミリ波通信を行うことができるものである。

図２は、実施例１の第１の通信方式の通信手段のアンテナの実施方法を示した説明図である。同様な構成要素については同一の符号を付している。図２において、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ等で用いられているＭＩＭＯ技術の信号処理により４本のアンテナ２００〜２０３を合成した指向性のアンテナパターン３００から３０３を得ている。本例ではアンテナ数は４本であり、指向性は十時方向の４方向であるが、これに限られることは無く、アンテナ数や方向は、使用するシステムや無線通信機の構造に応じて設定できる。

図３は、無線通信装置の実施例１の第２の通信方式の通信手段のアンテナの実施方法を示した説明図である。同様な構成要素については同一の符号を付している。同図（ａ）において、第二の通信方式のアンテナ１１０はアンテナ基板上に小型のアンテナ素子パターン４０１が配置され、アンテナアレイを形成する。図３はアンテナ素子パターンの右端列のみ符号を付しているが、他の素子も同じである。これらのアンテナ素子へ印加する送信信号あるいは取り出す受信信号の振幅と位相を調節することにより例えばアンテナ指向性４００が得られる。同図（ｂ）は、第２の通信方式の通信手段のアンテナのビームパターン例である。前述のようにアンテナ素子４０１へ印加する送信信号あるいは取り出す受信信号の振幅と位相を調節することにより、アンテナのビームパターン４１０〜４２１を得る。第二の通信方式のアンテナパターンはビームが鋭いため、第一の通信方式のアンテナパターンに対してより細かくビーム指向が設定され、通信相手とのアンテナ位置ずれによる損失を小さくする。

図４は、実施例１に示した無線通信装置１００あるいは１０１の説明図である。同様な構成要素については同一の符号を付している。無線通信装置１００は第一の通信方式の通信手段５００と第二の通信方式の通信手段６００で構成され、たとえば第一の通信方式の通信手段５００は第一の通信方式のアンテナ２００〜２０３に無線ＬＡＮ送受信手段５０１と無線ＬＡＮのデジタル信号処理手段５０２を具備し、第二の通信方式の通信手段６００は第二の通信方式のアンテナ１１０の後ろにビームフォーミング手段６０１とミリ波の送受信手段６０２とミリ波のデジタル信号処理手段６０３を具備する。制御部７００は第一の通信方式の通信手段５００と第二の通信方式の通信手段６００の制御を行う。制御部７００は、例えば、第一の通信方式の通信手段５００を起動して、第一の通信方式のアンテナ２００〜２０３のアンテナのビーム３００〜３０３（図示せず）を順次探索して、相手の無線通信装置１０１（図示せず）を検知したならば、検知したアンテナのビームパターンの方向を記録して、次に第二の通信方式の通信手段６００を制御して第二の通信方式のアンテナ１１０のビームパターン４１０〜４２１の中から、前述の検知したアンテナのビームパターンの方向に対応するビームパターン群から探索を行い相手との最適な通信経路を選び接続する。このように第１の通信方式による通信手段のビームフォーミング用いて粗い指向性を求めて、それを基に第２の通信方式による通信手段のミリ波帯の鋭いビームフォーミングアンテナの指向性を決定することにより、第二の通信方式のアンテナ１１０のビームパターン４１０〜４２１の全領域を探索する必要は無く、最適通信路を早く決定できる。

また、第一の通信方式の通信手段５００は無線ＬＡＮの機能で構成されるため、起動時の第二の通信方式の探索や何らかの理由で第二の通信方式が切断されて自己復帰ができない場合にのみ短時間の第二の通信方式の探索を行う以外は通常の無線ＬＡＮとして使用できる。

１００、１０１ 無線通信装置
１１０、１１１ 第二の通信方式のアンテナ
２００〜２０３ 第一の通信方式のアンテナ
２１０〜２１３ 第一の通信方式のアンテナ
３００〜３０３ 第一の通信方式のアンテナのビームパターン例
４００ 第二の通信方式のアンテナビームパターン例
４０１ アンテナ素子パターン
４１０〜４２１ 第一の通信方式のアンテナビームパターン例
５００ 第一の通信方式の通信手段
５０１ 無線ＬＡＮ送受信手段
５０２ 無線ＬＡＮのデジタル信号処理手段
６００ 第二の通信方式の通信手段
６０１ ビームフォーミング手段
６０２ ミリ波の送受信手段
６０３ ミリ波のデジタル信号処理手段
７００ 制御部

Claims (6)

1. 第１の通信方式で無線通信を行う第１の通信手段と、前記第１の通信方式と周波数が異なる第２の通信方式で無線通信を行う第２の通信手段を有する無線通信装置において、
   少なくとも前記第１の通信方式によるビームフォーミングアンテナの指向性の方向を求め、その結果を基に前記第２の通信方式のビームフォーミングアンテナの指向性を決定することを特徴とする無線通信装置。
2. 請求項１の無線通信装置において、前記第１の通信方式の周波数は、前記第２の通信方式の周波数より低い周波数帯を使うことを特徴とする無線通信装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の無線通信装置において、前記第１の通信方式はマイクロ波帯で動作し、前記第２の通信方式はミリ波帯で動作することを特徴とする無線通信装置。
4. 請求項１から請求項３の何れかに記載の無線通信装置において、前記第１の通信方式のビームフォーミングアンテナのアンテナ素子数は、前記第２の通信方式のビームフォーミングアンテナの素子数より少ないことを特徴とする無線通信装置。
5. 請求項１から請求項４の何れかに記載の無線通信装置において、前記第１の通信方式のビームフォーミングアンテナの指向性パターン数は、前記第２の通信方式のビームフォーミングアンテナの指向性パターン数より少ないことを特徴とする無線通信装置。
6. 請求項４に記載の無線通信装置において、少なくとも前記第２の通信方式のビームフォーミングアンテナはアレイアンテナであることを特徴とする無線通信装置。

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