適応ビームフォーマー

適応ビームフォーマーは、送信機または受信機のアレイを使用して適応空間信号処理を実行するシステムです。信号は、選択した方向への信号強度が増加するように結合されます。他の方向への信号は、無害または破壊的な方法で結合され、望ましくない方向への信号または望ましくない方向からの信号が劣化します。この技術は、無線周波数アレイと音響アレイの両方で使用され、受信機または送信機のアレイを物理的に移動せずに方向感度を提供します。

適応ビームフォーミングは、1960年代にソナーやレーダーの軍事用途向けに最初に開発されました。^{[1]ビームフォーミングにはいくつかの現代的な用途があり、最も目立つ用途の1つは}LTEなどの商用ワイヤレスネットワークです。適応ビームフォーミングの初期の用途は、軍事分野での信号妨害の影響を軽減するためのレーダーと電子対抗手段に主に焦点を当てていました。^[2]

• レーダーの用途については、フェーズド アレイ レーダーをご覧ください。厳密には適応型ではありませんが、これらのレーダー アプリケーションでは、静的または動的 (スキャン) ビームフォーミングが使用されます。
• 3GPP Long Term Evolution（ LTE（通信））やIEEE 802.16 WiMaxなどの商用無線規格は、各規格内で重要なサービスを実現するために適応型ビームフォーミングに依存しています。^[3]

適応ビームフォーミング システムは、波の伝播と位相関係の原理に依存しています。建設的干渉およびビームフォーミングを参照してください。波を重ね合わせる原理を使用して、より高いまたはより低い振幅の波が作成されます (たとえば、受信した信号を遅延および重み付けすることによって)。適応ビームフォーミング システムは、信号対干渉雑音比などの目的のパラメータを最大化または最小化するために動的に適応します。

ビームフォーミング設計にはいくつかのアプローチがありますが、最初のアプローチは、Applebaum 1965 によって信号対雑音比 ( SNR ) を最大化することによって実装されました。 ^[1]この手法は、システムパラメータを適応させて受信信号電力を最大化し、ノイズ (干渉や妨害など) を最小限に抑えます。もう 1 つのアプローチは、Widrow によって実装された最小平均二乗 (LMS) 誤差法と、Capon によって 1969 年に開発された最大尤度法 (MLM) です。^[1] Applebaum アルゴリズムと Widrow アルゴリズムはどちらも非常によく似ており、最適解に向かって収束します。^[4]ただし、これらの手法には実装上の欠点があります。 1974 年に、Reed はサンプル行列反転 (SMI) と呼ばれる手法を実証しました。SMI は、Applebaum と Widrow のアルゴリズムとは異なり、アダプティブアンテナアレイの重みを直接決定します。^[1]

上記で紹介した適応技術の詳細な説明は、以下をご覧ください。

• 最小二乗法アルゴリズム
• サンプル行列反転アルゴリズム
• 再帰最小二乗アルゴリズム
• 共役勾配法
• 定数係数アルゴリズム

• ビームフォーミングは、空間ビームをターゲット方向に集中させ、空間ビームの干渉信号を無効にする空間信号処理です。
• スマート アンテナは、単一入力複数出力 (SIMO)、複数入力単一出力 (MISO)、複数入力複数出力 (MIMO) 構造の 3 つの構造のいずれかを持つ複数のアンテナ システムです。
• MIMOは、送信機に複数の送信アンテナ、受信機に複数の受信アンテナを備えた高度なスマート アンテナ システムです。