JP2006196978A - ビーム制御装置、アレーアンテナシステムおよび無線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基地局のアレーアンテナのアンテナ素子数が少ない場合において、ＳＩＮＲ時間変動特性の各移動局間の偏りを軽減すると共にＳＩＮＲ時間変動特性の瞬時変動量を十分に確保する。
【解決手段】 アンテナ素子１１ａ−２から送信する信号に与える位相制御量を計算する位相制御量演算手段と、角速度ゆらぎ関数により角速度変動分を計算する角速度ゆらぎ関数演算手段とを備え、位相制御量演算手段は、固定角速度に角速度変動分を加えた角速度から、位相制御量の単位時間当たり変動量を算出するビーム制御部１５を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ビーム制御装置、アレーアンテナシステムおよび無線装置に関する。

従来、時分割多元接続を用いたパケット交換型移動通信システムでは、基地局から移動局に向う下り回線において、移動局ごとに独立である無線伝搬路の状態を観測し、伝搬路状態に基づいたスケジューリング及び適応チャネル割当を行うことにより、基地局当たりの伝送効率の向上を図っている。該スケジューリング方式は、伝搬路状態が最もよい移動局に時間スロットを割り当てる。また、適応チャネル割当方式は、伝搬路状態に応じて適応的に伝送方式（変調方式又は符号化率）を変更することにより、伝搬路状態に適した伝送レートを実現する。

上記したスケジューリング方式および適応チャネル割当方式では、基地局と移動局間の無線伝搬路の状態を利用するが、その伝搬路状態としては、移動局におけるＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise power Ratio）が利用される。このＳＩＮＲは、移動局が所望基地局から受信する信号の電力に対する非所望基地局から受信する信号の電力および雑音電力の比である。そのＳＩＮＲは、移動局ごとに独立に瞬時変動する。これは、移動局が移動したり或いは移動局の周辺に在る物体が移動することによりマルチパスフェージングが発生し、この結果として各移動局ごとに各基地局からの受信信号が独立に瞬時変動することが原因である。特に、非所望基地局からのセル外干渉がＳＩＮＲの変動に対して支配的な場合においては、セル外干渉の瞬時的な軽減により、確率的にＳＩＮＲが改善されるケースが生じる。このため、上記したスケジューリングおよび適応チャネル割当により高伝送効率の伝送が可能となる。

これに対して、移動局或いは移動局周辺の物体が静止しているか若しくは低速度で移動しているためにマルチパスフェージングによる伝搬路の瞬時変動が十分に発生しない場合、上述したようにＳＩＮＲが改善されるケースが生じないので、伝送効率の改善が見込めない。特に、移動局が基地局から離れたセルエッジ付近で静止している場合、基地局の送信電力およびアンテナ放射パターンが固定されていると、平均ＳＩＮＲは定常的に低い値となるので、スケジューリングにより時間スロットが割り当てられたとしても適応チャネル割当により低伝送レートの伝送チャネルしか提供されない。この結果、基地局からの距離および位置に依存して移動局ごとに伝送スループットの偏りが発生する。なお、平均ＳＩＮＲは、基地局の送信電力およびアンテナ放射パターン、基地局からの距離に依存する距離減衰、及び、移動局周辺の建物に依存するシャドイングからなる場所に依存した定常的な伝搬路特性、などに依存する。

このため、各移動局の平均ＳＩＮＲを積極的に時間変動させるためのビーム制御に係る従来技術が、例えば非特許文献１に開示されている。この従来技術では、基地局が複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナ及びビーム制御機能を備え、各アンテナ素子から送信する信号の位相量に対して、それぞれ異なる固定角速度で変化する変動量を加えることにより、人工的にフェージングを発生させている。その各アンテナ素子に対応する固定角速度はランダムに選択される。図７は従来のビーム制御方法を説明するための概念図である。図７に示されるように、移動局が通信している通信基地局（所望基地局）のセルと、通信していない干渉基地局（非所望基地局）のセルとの境界付近に在る。このとき、各基地局がアレーアンテナの重み係数を周期的に変化させることにより、アレーアンテナの放射パターンを周期的に変化させることができる。これにより、通信基地局及び干渉基地局の放射パターンが変化するので、各基地局からの受信電力が移動局で変化し、移動局のＳＩＮＲが変化する。
P. Viswanath, D. H. C. Tse, and R. Laroia, "Opportunistic Beamforming using Dumb Antennas," IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 48, pp. 1277-1294, June 2002.

しかし、上述した従来技術では、基地局が有するアレーアンテナのアンテナ素子数が少ないと（一般に５素子以下の場合）、ＳＩＮＲの瞬時変動が移動局の位置によって偏るために、伝送スループットが改善されない場所が発生する。図８は、従来のビーム制御方法を用いた場合の移動局別のＳＩＮＲ時間変動特性を示すシミュレーション結果のグラフ図である。このシミュレーション条件として、図９に示されるように７台の基地局１００ａ、１００ｂと３台の移動局２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃを配置している。基地局１００ａは所望基地局、基地局１００ｂは非所望基地局である。また、基地局が有するアレーアンテナのアンテナ素子数は２である。図８には、その３台の移動局２００Ａ、２００Ｂ、２００ＣのＳＩＮＲ時間変動特性がそれぞれ実線の波形Ａ、Ｂ、Ｃで示されている。なお、図８において、破線の波形Ｗは、ビーム制御なしの場合のＳＩＮＲ時間変動特性である。図８に示されるように、従来のビーム制御方法では、確率的に移動局のＳＩＮＲを改善することはできるが、固定角速度を用いて各アンテナ素子から放射する信号の位相量を変化させるので、各移動局のＳＩＮＲ時間変動特性は周期性を有することになり各移動局間で偏っている。図８の例では、移動局２００ＡのＳＩＮＲ時間変動特性は十分に大きな瞬時変動量を有しているが、移動局２００Ｂ、２００Ｃについては瞬時変動量が十分ではない。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、基地局のアレーアンテナのアンテナ素子数が少ない場合（一般に５素子以下の場合）において、ＳＩＮＲ時間変動特性の各移動局間の偏りを軽減すると共にＳＩＮＲ時間変動特性の瞬時変動量を十分に確保することができるビーム制御装置、アレーアンテナシステムおよび無線装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るビーム制御装置は、複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナの放射パターンを制御するビーム制御装置において、前記アンテナ素子から送信する信号に与える位相制御量を計算する位相制御量演算手段と、角速度ゆらぎ関数により角速度変動分を計算する角速度ゆらぎ関数演算手段とを備え、前記位相制御量演算手段は、固定角速度に前記角速度変動分を加えた角速度から、前記位相制御量の単位時間当たり変動量を算出することを特徴とする。

本発明に係るアレーアンテナシステムは、複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、請求項１に記載のビーム制御装置と、前記ビーム制御装置によって得た位相制御量に基づき、前記アンテナ素子から送信する信号の位相量を調整する移相器とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る無線装置は、無線伝搬路の状態に基づいて時間スロットのスケジューリング及び適応チャネル割当を行う無線装置において、請求項２に記載のアレーアンテナシステムを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、基地局の各アンテナ素子により各々送信される信号間の位相差は固定角速度を基準にして角速度ゆらぎ関数により変動するので、各移動局のＳＩＮＲ時間変動特性は周期性を有さないものとなる。これにより、アレーアンテナのアンテナ素子数が少ない場合（一般に５素子以下の場合）において、ＳＩＮＲ時間変動特性の各移動局間の偏りを軽減することができると共に、ＳＩＮＲ時間変動特性の瞬時変動量を十分に確保することができる。この結果、移動局の位置に依存することなく、全移動局に対して伝送スループットの改善を図ることが可能となる。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るアレーアンテナシステム１０の構成を示すブロック図である。図１において、アレーアンテナ部１１は２つのアンテナ素子１１ａ−１、１１ａ−２を有する。ビーム形成部１２は、分配器１３及び移相器１４を有する。分配器１３は、送信時には入力される送信信号を各アンテナ素子１１ａ−１、１１ａ−２に分配し、受信時には各アンテナ素子１１ａ−１、１１ａ−２の受信信号を合成して出力する。移相器１４は、送信信号の位相量を任意に調整することが可能である。そして、移相器１４は、ビーム制御部１５から受け取る位相制御量θ(t)をアンテナ素子１１ａ−２の送信信号に与える。これにより、アンテナ素子１１ａ−１、１１ａ−２により各々送信される信号間の位相差がθ(t)に制御される。ビーム制御部１５は、その位相制御量θ(t)を算出して出力する。

上記ビーム制御部１５は、（１）式により位相制御量θ(t)を算出する。
θ(0)＝θ_Initial
θ(t)＝θ(t−Δt)＋（ω_Const＋Δω(t−Δt)）×Δt
（１）
但し、
tは時刻、
θ_Initialは初期位相値［rad］、
Δtはビーム制御周期［s］、
ω_Constは固定角速度（但し、−πからπ［rad/s］の範囲のいずれかの値）、
Δω(t)は角速度ゆらぎ関数［rad/s］、
である。

上記（１）式に示されるように、位相制御量θ(t)は、固定角速度ω_Constに角速度ゆらぎ関数Δω(t)で定まる角速度変動分を加えた角速度で変動する。これにより、アンテナ素子１１ａ−１、１１ａ−２により各々送信される信号間の位相差θ(t)は、固定角速度ω_Constを基準にして角速度ゆらぎ関数Δω(t)により変動する。但し、時間スロット当たりの固定角速度ω_Constおよび角速度ゆらぎ関数Δω(t)の位相変化量は、十分小さいものとする。

角速度ゆらぎ関数Δω(t)は、角速度ゆらぎ周期Ｔ［s］間の平均が０であるランダムな関数である。以下に、角速度ゆらぎ関数Δω(t)の例を示す。

（例１）
Δω(t)＝α×ω_Const×sin(２×π×t/Ｔ) （２）
但し、αは変動係数（但し、０から１の範囲のいずれかの値）である。

（例２）
Δω(t)＝α×ω_Const×ＰＮ(t,Ｔ) （３）
但し、ＰＮ(t,Ｔ)は長さＴ/Δt，要素｛−１，１｝の擬似ランダム系列であり、その周期は角速度ゆらぎ周期Ｔでる。

次に、図２を参照して、図１に示すビーム制御部１５の制御手順を説明する。図２は、図１に示すビーム制御部１５の制御フロー図である。
図２において、先ず、ビーム制御部１５は初期設定を行う（Ｓ１）。具体的には、初期位相値θ_Initial、固定角速度ω_Constおよび角速度ゆらぎ関数Δω(t)の初期設定を行う。次いで、移相器１４の位相制御量の初期値θ(0)を初期位相値θ_Initialに設定する（Ｓ２）。

次いで、時刻ｔ＝ｔ＋Δｔにセットし（Ｓ３）、角速度ゆらぎ関数Δω(t)の値（角速度変動分）を計算する（Ｓ４）。次いで、その角速度ゆらぎ関数Δω(t)の値を使用して位相制御量θ(t)を計算する（Ｓ５）。次いで、その位相制御量θ(t)の計算結果を移相器１４に出力する（Ｓ６）。以降、上記ステップＳ３からＳ６を繰り返す。

図３は、本実施形態に係るビーム制御方法を用いた場合の移動局別のＳＩＮＲ時間変動特性を示すシミュレーション結果のグラフ図である。このシミュレーション条件は、従来のビーム制御方法による図８の場合と同じである。図３には、図９に示される３台の移動局２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃの本実施形態に係るビーム制御方法により得られたＳＩＮＲ時間変動特性がそれぞれ実線の波形Ａ、Ｂ、Ｃで示されている。なお、図３において、破線の波形Ｗは、ビーム制御なしの場合のＳＩＮＲ時間変動特性である。

図３と図８との比較から明らかなように、本実施形態に係るビーム制御方法によれば、ＳＩＮＲ時間変動特性の各移動局間の偏りは軽減され、さらにＳＩＮＲ時間変動特性の瞬時変動量は十分に確保されている。

さらに、図４には、各移動局２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ（ＵｓｅｒＮｕｍｂｅｒ１、２、３に同順で対応している）の伝送スループット特性のシミュレーション結果が示されている。このシミュレーション条件として、スケジューリング方式はプロポーショナルフェアネスに基づいたスケジューリングアルゴリズムを用いている。図４に示されるように、従来のビーム制御方法では移動局２００Ａ（ＵｓｅｒＮｕｍｂｅｒ１）の伝送スループットが突出し移動局間格差は約３倍あったが、本実施形態に係るビーム制御方法によれば、移動局間格差は約２倍程度に抑えられている。

上述したように本実施形態によれば、各アンテナ素子により各々送信される信号間の位相差は固定角速度を基準にして角速度ゆらぎ関数により変動するので、各移動局のＳＩＮＲ時間変動特性は周期性を有さないものとなる。これにより、アレーアンテナのアンテナ素子数が少ない場合（本実施形態では最小の２素子の場合）において、ＳＩＮＲ時間変動特性の各移動局間の偏りを軽減することができると共に、ＳＩＮＲ時間変動特性の瞬時変動量を十分に確保することができる。この結果、移動局の位置に依存することなく、全移動局に対して伝送スループットの改善を図ることが可能となる。

なお、アレーアンテナのアンテナ素子数は３素子以上であってもよい。この場合、位相制御量θ(t)は、Ｎ個のアンテナ素子に関し、ある一つのアンテナ素子を基準とした「Ｎ−１」個の相対位相ベクトルとして得ることができる。各相対位相ベクトルは、それぞれ独立の固定角速度および角速度ゆらぎ関数から算出する。図５にＮ個（３素子以上）のアンテナ素子を有する場合のアレーアンテナシステム１０の構成を示す。図５において、ビーム制御部１５は、アンテナ素子１１ａ−２、３、…、Ｎの各々に対応して設けられた移相器１４に、それぞれ相対位相ベクトルθ_１(t)、θ_２(t)、θ_３(t)、…、θ_Ｎ−１(t)を出力する。

図６は、本実施形態に係る基地局（無線装置）１００の一実施例である。図６に示される基地局１００は、時分割多元接続を用いたパケット交換型移動通信システムの基地局であり、基地局１００から移動局２００に向う下り回線において、無線伝搬路の状態に基づき、時間スロットのスケジューリング及び適応チャネル割当を行う。また、移動局２００は、下り回線の無線伝搬路の状態を表すＳＩＮＲを測定し、測定結果のＳＩＮＲを基地局１００に通知する。

図６において、基地局１００は、本実施形態に係るアレーアンテナシステム１０を備え、該アレーアンテナシステム１０により移動局２００間の無線区間の送信および受信を行う。なお、図６に示されるアレーアンテナシステム１０以外の基地局１００および移動局２００の基本構成は従来と同じである。

この実施例によれば、基地局１００がアレーアンテナシステム１０により放射するビームパターンは、固定角速度を基準にして角速度ゆらぎ関数により変化する。これにより、各基地局１００は独立に十分なフェージングを人工的に発生させることができる。そして、各移動局においては、通信基地局（所望基地局）および干渉基地局（非所望基地局）の放射パターンは独立して変化するものとなり、各基地局からの受信信号が独立に瞬時変動するので、移動局ごとに独立にＳＩＮＲが瞬時変動する。この結果として、基地局１００は各移動局のＳＩＮＲに応じてスケジューリングおよび適応チャネル割当を行うことにより、高伝送効率の伝送が可能となる。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、本発明は、スケジューリング機能および適応チャネル割当機能を用いた時分割多元接続パケット交換型のセルラーシステムおよび無線ＬＡＮシステム等の移動通信システムに適用可能である。例えば、cdma2000 1xEV-DOシステムやW-CDMA HSDPAシステムなどに適用することができる。

本発明の一実施形態に係るアレーアンテナシステム１０の構成を示すブロック図である。 図１に示すビーム制御部１５の制御フロー図である。 本発明の一実施形態に係るビーム制御方法を用いた場合の移動局別のＳＩＮＲ時間変動特性を示すシミュレーション結果のグラフ図である。 本発明の一実施形態に係るビーム制御方法を用いた場合の移動局別の伝送スループット特性を示すシミュレーション結果のグラフ図である。 本発明の他の実施形態に係るアレーアンテナシステム１０の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る基地局（無線装置）１００の一実施例の構成を示すブロックである。 従来のビーム制御方法を説明するための概念図である。 従来のビーム制御方法を用いた場合の移動局別のＳＩＮＲ時間変動特性を示すシミュレーション結果のグラフ図である。 シミュレーション条件を示す図である。

符号の説明

１０…アレーアンテナシステム、１１…アレーアンテナ部、１１ａ…アンテナ素子、１２…ビーム形成部、１３…分配器、１４…移相器、１５…ビーム制御部、１００…基地局、２００…移動局。

Claims (3)

1. 複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナの放射パターンを制御するビーム制御装置において、
   前記アンテナ素子から送信する信号に与える位相制御量を計算する位相制御量演算手段と、
   角速度ゆらぎ関数により角速度変動分を計算する角速度ゆらぎ関数演算手段とを備え、
   前記位相制御量演算手段は、固定角速度に前記角速度変動分を加えた角速度から、前記位相制御量の単位時間当たり変動量を算出することを特徴とするビーム制御装置。
2. 複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、
   請求項１に記載のビーム制御装置と、
   前記ビーム制御装置によって得た位相制御量に基づき、前記アンテナ素子から送信する信号の位相量を調整する移相器と、
   を備えたことを特徴とするアレーアンテナシステム。
3. 無線伝搬路の状態に基づいて時間スロットのスケジューリング及び適応チャネル割当を行う無線装置において、
   請求項２に記載のアレーアンテナシステムを備えたことを特徴とする無線装置。
   
   
   

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