JP3175867B2 - 移動無線基地局のダイバーシチ装置 - Google Patents
移動無線基地局のダイバーシチ装置Info
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Description
で行い、かつ複数のアンテナを有し、移動局からの受信
信号レベルを検出して基地局からの送信アンテナを選択
し、また送受を同一搬送周波数で行なうことにより伝送
品質特性を向上させる移動無線基地局のダイバーシチ装
置に関するものである。
人等の移動局が無線基地局に対して移動するためフェー
ジングに伴い受信レベルが変動し、受信レベルが低下し
た場合には、受信伝送品質が低下する。陸上移動伝搬路
を経由した受信波は、包絡線がランダムに変動するフェ
ージングを受ける。フェージング受信波の包絡線レベル
は受信機の熱雑音レベル近くにまで頻繁に落ち込むため
に伝送品質の劣化、即ちディジタル伝送では、受信誤り
率の劣化を生じる。また、位相も時間と共にランダムに
変化するため、あたかもランダムなFMを受けているか
のようなランダムFM雑音も伝送系の劣化要因となる。
この他に受信伝送品質の劣化要因としては、同じ周波数
を用いる他ユーザ(移動局)からの干渉、マルチパスフ
ェージングに起因するディレイスプレッドがある。従っ
てこの受信誤り率の劣化を救う技術的方法が必要にな
る。この方法に、誤り訂正、ダイバーシチ、等化器等が
ある。
レベルが大きく落ち込む場合に大きくなるので包絡線レ
ベル落ち込みを軽減することが必要である。この包絡線
レベルの落ち込みを補償する技術としてダイバーシチ受
信がある。ダイバーシチは2つ以上の受信波を利用する
技術であり、このうち空間ダイバーシチは空間的に離し
た2本以上のアンテナを用いる方法であり、移動局受信
の場合はアンテナを半波長以上離せば無相関に近いフェ
ージング受信波を得ることができる。この場合一方のア
ンテナの受信信号レベルが落ち込んでいても他方のそれ
は落ち込んでいない場合が多い。包絡線レベルの大きい
方を選択受信することにより単一のフェージング波を受
信する場合に比べて品質が劣化する確率を低減すること
ができる。ダイバーシチにおける合成受信法としては、
選択、等利得、及び最大比合成の3種の合成法がある。
通常は、複数のフェージング波のうちで最大の包絡線レ
ベルのもののみを受信する選択合成が処理上最も簡単で
ある。また、合成を検波後で行なう検波後切り替えダイ
バーシチが実用されている。一般的にダイバーシチを行
なうためには2系列の受信系回路が必要になる。従来の
移動通信では送信搬送波周波数と受信搬送波周波数は干
渉が無いように離れた周波数を用いるFDD(Frequenc
y Division Duplex )方式が用いられている。しかし送
信、受信同一の搬送波周波数を用いるTDD(Time Div
ision Duplex)方式では送受の搬送波周波数が等しいた
めに、基地局受信信号と送信信号との時間間隔が小さく
時間相関が1の場合には、両者が受けるレイリーフェー
ジングの影響は同一とみなすことができる。従って基地
局が受信するフレームにおいて2つのアンテナの信号レ
ベルを測定し、基地局から送信する場合には受信選択し
たアンテナで送信すれば等価的に移動局では2つのアン
テナで受信する場合と等しいダイバーシチ効果が得られ
る。これが送信ダイバーシチの原理である。
検波後切り替えダイバーシチを行なう場合の基地局装置
のブロック構成を示す。アンテナから復調器までの2系
列の受信系を有している。即ちアンテナ11,12から
の各受信信号はそれぞれ、送受共用器としてのハイブリ
ッド13,14を通じ、更に高周波スイッチ15,16
を通じて、帯域通過フィルタ17,18へ供給され、そ
の各フィルタ出力はそれぞれ高周波増幅器19,21で
増幅されて混合器22,23へ供給され、それぞれ周波
数シンセサイザ24からの局部信号と周波数混合され
る。その周波数混合出力はそれぞれ帯域通過フィルタ2
5,26で第1中間周波信号が選出され、これら第1中
間周波信号は増幅器27,28でそれぞれ増幅されて混
合器29,31へ供給され、発振器32からの固定局部
信号と周波数混合される。これら周波数混合出力からそ
れぞれ帯域通過フィルタ33,34で第2中間周波信号
がそれぞれ取出されてリミッタアンプ35,36へ供給
され、一定振幅とされて復調器37,38へ供給され
る。復調器37,38の各復調出力はスイッチ39へ供
給される。
第2中間周波信号はそれぞれレベル検出器41,42へ
分岐供給され、それぞれ受信レベルが検出され、これら
検出受信レベルはブランチ選択回路43で比較され、そ
の大きい方の受信系の復調データをスイッチ39で選択
するように制御され、またブランチ選択回路43の出力
がRFスイッチ制御回路40へ供給され、この制御回路
40で検出受信レベルの大きい方を選択するように高周
波スイッチ15,16が制御される。
回路、同期保護回路44へ供給され、受信バースト信号
が検出され、かつ同期保護されると共に受信データが出
力端子45へ出力される。また入力端子46からの送信
データはバースト多重回路47でバースト信号に多重化
され、そのバースト信号は変調器48で搬送波を変調
し、その変調出力は帯域通過フィルタ49を通じて混合
器50へ供給され、周波数シンセサイザ24からの局部
信号と周波数混合され、その周波数混合出力から送信周
波数信号が帯域通過フィルタ51で選出されて送信増幅
器52へ供給される。その増幅出力は分配器53で2分
配されて高周波スイッチ55,56へ供給される。高周
波スイッチ55,56の各出力はそれぞれハイブリッド
13,14を通じてアンテナ11,12へ給電されるR
Fスイッチ制御回路40により、高周波スイッチ55,
56が制御されて、受信時に選択したアンテナに対して
送信信号を供給する。
QPSK変調の場合、レイリーフェージング下で、平均
誤り率1×10-2で6dB以上の利得が得られ、また送
信ダイバーシチを行なうことにより移動局では1つのア
ンテナ受信で検波後切り替えダイバーシチを行なう場合
と同等の効果を得ることができる。この場合図4に示す
ように移動局装置は送受各1系列の無線部回路で構成で
き移動局の大幅な小型化に寄与することができる。
す。図のフレーム構成は4チャネルのTDMA(Time D
ivision Multiple Access )/TDDのフレーム構成例
である。前半の4スロットが基地局受信、後半の4スロ
ットが基地局送信である。図の例のようにR2のスロッ
トで基地局は受信レベルの大きい方のアンテナで受信す
る。次にR2のスロット終了時での2つのアンテナの受
信レベルを検出し、レベルの大きい方のアンテナ情報を
保持しておく。基地局送信のT2のスロットで選択した
アンテナから信号を送信する。この場合送信ダイバーシ
チ効果を得るためには、フレーム長がフェージング周期
に比較して十分小さいことが条件である。基地局の高周
波スイッチのON/OFF状態も併せて図中に示した。
我々は先に、Electron. Lett., 1992, 28, pp.2201-220
2,“Transmitter Diversity Effectin TDMA/TDD Mobil
e Radio Transmission ”で基地局が2系列の受信部を
有する場合、この送信ダイバーシチを用いると移動局で
は検波後切り替えダイバーシチと同等の特性が得られる
ことを報告した。
行なうことにより移動局装置を簡略化できるが、基地局
では併せて検波後切り替えダイバーシチを行なうので復
調器までの無線部の回路構成が2系統必要になる。さら
に基地局に複数のアンテナを切り替えて1系列の受信機
により受信するアンテナ切り替え受信法を適用すれば基
地局装置受信系を1系列にすることができる。このアン
テナ切り替えダイバーシチはフェージング受信波の包絡
線レベルがある定められた切り替えレベル以下になった
とき他のアンテナに切り替えて受信するもので、切り替
え先のアンテナの包絡線レベルが切り替えレベル以下の
時の動作として2つの方法がある。1つは切り替えレベ
ル以上の包絡線レベルのアンテナを探し続けるSE(Sw
itch-and-Examine)法で、他の方法はいったん切り替え
ると切り替えレベル以下であっても新しいアンテナでそ
のまま受信するSS(Switch-and-Stay )法である。
波数を1つのユーザが用いるSCPC/FDMA(Sing
le Channel Per Carrier/Frequency Division Muliple
Access)方式では、伝送信号は連続モードであるので、
アンテナ切り替えダイバーシチを用いて高周波数帯でブ
ランチの切り替えを行なうと、切り替え雑音が復調後の
信号にのり、かえって伝送品質を劣化させるためアンテ
ナ切り替えダイバーシチは用いられることはなかった。
しかし、同じ搬送波周波数を多数のユーザが時間的に分
割して多重化し、伝送するTDMA方式ではバースト伝
送を行なうことにより高周波数帯でのアンテナ切り替え
が可能になる。図6に基地局送信ダイバーシチ、固定し
きい値のアンテナ切り替えダイバーシチを行なう場合の
基地局装置のブロック構成を示し、図3と対応する部分
に同一符号を付けてある。高周波スイッチ15,16の
出力はハイブリッド58により合成されて帯域通過フィ
ルタ17へ供給され、またレベル検出器41の出力は電
圧比較器59で端子61からのしきい値電圧と比較さ
れ、その比較出力がRFスイッチ制御回路40へ供給さ
れる。図7にバースト伝送を行なう場合の、データバー
ストのフレーム構成の一例を示す。このデータバースト
はガードタイムと、クロックタイミング同期用あるいは
同期検波では搬送波再生用のプリアンブルと、フレーム
同期のための同期ワードと、情報データとより構成され
る。
2本のアンテナ11,12による各受信信号の包絡線レ
ベルを検出し、プリアンブル内でレベルの大きいブラン
チへの切り替えを行なえば、切り替え雑音が同期ワード
や情報データ部に生じることなく、アンテナ切り替えダ
イバーシチを行なうことができる。図6に示すように基
地局受信では、電圧比較器59でレベル検出器41の出
力である受信レベル電圧と固定しきい値電圧とを比較す
る。一方、復調データからデータ分離回路、同期保護回
路44においてブランチ切り替えを行なうプリアンブル
中のタイミングを検出する。このタイミングでRFスイ
ッチ制御回路40で高周波スイッチ15,16,55,
56のON/OFFを行なう制御信号を生成する。基地
局送信では基地局受信の場合と同一のアンテナで送信す
る。
替えダイバーシチの動作説明図を示す。バースト毎のS
S法では、片方の受信信号レベルがしきい値電圧を横切
ってしきい値電圧よりも低下した場合にブランチの切り
替えが行なわれる。バースト毎のSE法では、まず、片
方の受信信号レベルがしきい値電圧を横切ってしきい値
電圧よりも低下した場合にブランチの切り替えが行なわ
れる。次にバースト毎に受信アンテナを切り替え、どち
らかのアンテナでの受信信号レベルがしきい値電圧より
も大きくなったところで受信アンテナを固定する。その
後このアンテナでの受信信号レベルがしきい値電圧を横
切ってしきい値電圧よりも低下した場合には、前記の課
程を繰り返す。
イバーシチの受信特性図を示す。図Aの曲線64に示す
ように受信電圧レベルがしきい値電圧付近の場合には、
スイッチのON/OFF、すなわちアンテナの切り替え
が頻繁におこり、ダイバーシチ効果が得られる。しか
し、曲線63,65に示すように、受信電圧レベルがし
きい値電圧に比較してかなり大きい場合や小さい場合
は、アンテナの切り替えは起こらないのでダイバーシチ
効果は得られない。従って図9Bに示すような受信誤り
率特性になる。図9Bにおいて横軸は平均受信信号電力
対雑音電力比、縦軸は平均誤り率である。電圧比較器5
9の固定しきい値電圧を受信信号のレベル電圧に設定す
ると、この受信レベルに相当するCNRの時に最もダイ
バーシチ効果が得られる。しかし、しきい値電圧よりも
包絡線レベルが低い/高い場合には、アンテナの切り替
えが起こらないため、受信特性は単一アンテナの場合の
受信特性に近い特性になる。また移動局受信についても
基地局送信、受信アンテナは同一であるので基地局と等
しい受信特性になる。従って、従来の基地局送信ダイバ
ーシチ、固定しきい値アンテナ切り替えダイバーシチ法
では、基地局、移動局双方の受信部回路の構成は簡単に
なるものの、しきい値付近の受信入力レベルの信号に対
してしかダイバーシチ効果が得られないという欠点があ
った。
バーシチ、固定しきい値のアンテナ切り替えダイバーシ
チ構成では基地局、移動局無線部受信系を1系列で構成
できるので回路構成が簡単であるという利点は有するも
のの、しきい値電圧付近の受信信号レベルの信号に対し
てしか、ダイバーシチ効果が得られなかった。
用いて、しかも無線部受信系は1系列の構成で、基地
局、移動局受信において複数の無線部受信回路を有する
検波後切り替え選択ダイバーシチと同等の特性を有する
送信ダイバーシチ、アンテナ切り替えダイバーシチ装置
を実現することを目的とする。
動無線基地局のダイバーシチ装置は、2本の送受信アン
テナを有し、1本の送受信アンテナを有する移動局から
の受信信号レベルを、1系列の受信回路で受信して検出
することにより基地局からの送受信アンテナを選択す
る、送受同一の搬送波周波数で伝送を行なう移動無線基
地局のダイバーシチ装置において、移動局からの信号の
受信機におけるベースバンド段よりも前段の信号の瞬時
包絡線レベルを検出するレベル検出手段と、そのレベル
検出手段の検出瞬時信号電圧レベルを平均化する平均化
手段と、平均化手段の出力電圧レベルに対応して予め決
められた複数のしきい値の中から、平均受信レベルが大
きい程大きいしきい値を設定し、その設定されたしきい
値と上記レベル検出手段の検出瞬時信号電圧との大小を
比較する第1電圧比較手段と、第1電圧比較手段の出力
信号に応じて上記2本の送受信アンテナの中から基地局
が受信する送受信アンテナを選択し、かつその選択した
送受信アンテナを基地局から送信する送受信アンテナと
するスイッチ制御回路とを具備する。 請求項2の発明に
よる移動無線基地局のダイバーシチ装置は、平均化手段
の出力電圧レベルと設定固定電圧との大小を比較する第
2電圧比較手段を有し、スイッチ制御回路は、第2電圧
比較手段の出力信号により、平均化手段の出力電圧レベ
ルが上記所定固定電圧より小さい場合には、強制的にア
ンテナ切り替えを中止する。
る電圧が受信レベルの平均値と対応し、受信レベルが高
くなるとその平均レベルも高くなり、アンテナの切り替
えの判定基準は常に平均受信レベル付近にあり、常に大
きなダイバーシチ効果が期待できる。
する部分に同一符号を付けてある。基地局受信の場合は
受信バーストの先頭のプリアンブル信号受信時に、この
実施例ではレベル検出器41において中間周波段の信号
の包絡線レベルの瞬時変動が検出され、この瞬時レベル
変動電圧は平均化回路71である時間にわたって平均化
される。電圧比較器72でレベル検出器41の瞬時電圧
と、平均化回路71よりのある時点における受信信号レ
ベルの平均値に対応した平均化電圧とが比較され、瞬時
電圧が平均化電圧よりも低くなった場合にアンテナを切
り替えるスイッチのON/OFFを反転させ、受信する
アンテナ11,12を切り替えるべく、電圧比較器72
の出力がRFスイッチ制御回路40へ供給される。平均
化回路71での平均化はフェージング周期よりも長い、
例えば数10倍長い時間平均化する。
11,12の何れで受信しても受信レベルが低く、アン
テナ11,12を切り替えてもダイバーシチの効果はな
い。従って平均化回路71よりの平均値と予め設定した
端子73からの固定電圧とが電圧比較器74で比較さ
れ、平均値が設定固定電圧よりも小さい場合には、その
時の電圧比較器74の出力によりRFスイッチ制御回路
40が制御されて、電圧比較器72の出力信号にかかわ
らず、アンテナ切り替えが行われないようにされる。こ
のように電圧比較器72のしきい値電圧が受信信号レベ
ルの平均値に応じて適応的に変化し、受信信号レベルの
大小に拘わらずダイバーシチ効果を得ることができる。
基地局送信時には受信時に選択したアンテナで送信す
る。従って移動局受信でも同様に受信信号レベルに関わ
らずダイバーシチ効果を得ることができる。
ッチ制御信号生成の処理はDSP(Digital Signal Pro
cessor)で容易に実現できる。即ち図1中に点線で示す
ようにレベル検出器41からの検出レベル電圧が、A/
D変換器75でディジタル値に変換されてDSP76に
入力される。このDSP76には回路44,47から各
バースト中におけるアンテナ切り替えタイミング、受信
信号平均レベルが低下してアンテナ切り替えを強制的に
OFFさせる信号レベルを決定する固定電圧が端子73
からそれぞれ入力される。DSP76はこれら入力に応
じて瞬時レベルの平均化、電圧比較スイッチ制御信号の
生成を行う。
ーシチの動作説明図を示す。図2Aの曲線77,78,
79に示すように大レベル、中レベル、小レベルの各入
力信号に応じて、電圧比較器72のしきい値電圧がそれ
ぞれVL ,VM ,VS と変化され、つまりしきい値電圧
は常に入力信号レベルの平均値付近にあり、受信信号の
瞬時レベルが常にしきい値電圧を上下している。このた
め図2Bに示すように平均CNRに対する平均誤り率特
性は受信信号レベルに関係なく検波後切り替えダイバー
シチと同等の特性を得ることができる。適応的にしきい
値電圧を変化させるアンテナ切り替えダイバーシチを用
い各フレーム毎基地局が受信したアンテナで送信するた
め、移動局受信も検波後切り替えダイバーシチを行なっ
た場合と同等の受信特性を得ることができる。この場
合、基地局はアンテナ2本、受信部回路1系列、移動局
アンテナ1本、受信部回路1系列で構成でき、基地局、
移動局装置を大幅に小形化することができる。
ば、基地局受信では受信包絡線信号レベルを平均化して
この平均化電圧をしきい値として瞬時レベル変動電圧と
比較しているので、受信信号レベルに応じてしきい値電
圧が適応的に変化し、レベル検出器のダイナミックレン
ジ内の受信信号レベルであれば、どの受信信号レベルの
信号に対しても、複数系列の受信系を有する検波後切り
替えダイバーシチと同等のダイバーシチ利得を得ること
ができる。移動局受信に対しても同様の効果が得られ
る。しかもこの発明では、複数のアンテナに対して基地
局、移動局1系列の無線部受信系で構成できるので、装
置の大幅な小型化を図ることができる。
所定値以下になると、アンテナの切り替えを行ってもダ
イバーシチ効果が得られなくなるから、その場合はアン
テナ切り替えが強制的に停止され、高周波スイッチなど
の劣化が少なくなる。
きい値電圧との関係例を示す図、Bはこの発明の受信特
性の例を示す図である。
り替えダイバーシチを行なう基地局を示すブロック図。
装置の構成を示すブロック図。
ナ切り替えダイバーシチを行なう場合の従来の基地局装
置を示すブロック図。
図。
ーシチSS法、SE法の動作説明図。
との関係例を示す図、Bは従来のダイバーシチによる受
信特性を示す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 2本の送受信アンテナを有し、1本の送
受信アンテナを有する移動局からの受信信号レベルを、
1系列の受信回路で受信して検出することにより基地局
からの送受信アンテナを選択する、送受同一の搬送波周
波数で伝送を行なう移動無線基地局のダイバーシチ装置
において、 上記移動局からの信号の受信機におけるベースバンド段
よりも前段の信号の瞬時包絡線レベルを検出するレベル
検出手段と、 そのレベル検出手段の検出瞬時信号電圧レベルを平均化
する平均化手段と、上記平均化手段の出力電圧レベルに対応して予め決めら
れた複数のしきい値の中から、平均受信レベルが大きい
程大きいしきい値を設定し、その設定されたしきい値と
上記レベル検出手段の検出瞬時信号電圧 との大小を比較
する第1電圧比較手段と、上記 第1電圧比較手段の出力信号に応じて上記2本の送
受信アンテナの中から基地局が受信する送受信アンテナ
を選択し、かつその選択した送受信アンテナを基地局か
ら送信する送受信アンテナとするスイッチ制御回路と、 を具備する移動無線基地局のダイバーシチ装置。 - 【請求項2】 上記平均化手段の出力電圧レベルと設定
固定電圧との大小を比較する第2電圧比較手段と、 上記スイッチ制御回路は、上記第2電圧比較手段の出力
信号により、上記平均化手段の出力電圧レベルが上記所
定固定電圧より小さい場合には、強制的にアンテナ切り
替えを中止するスイッチ制御回路であることを特徴とす
る請求項1記載の移動無線基地局のダイバーシチ装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP04423893A JP3175867B2 (ja) | 1993-03-05 | 1993-03-05 | 移動無線基地局のダイバーシチ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP04423893A JP3175867B2 (ja) | 1993-03-05 | 1993-03-05 | 移動無線基地局のダイバーシチ装置 |
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JPH06260977A JPH06260977A (ja) | 1994-09-16 |
JP3175867B2 true JP3175867B2 (ja) | 2001-06-11 |
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Family Applications (1)
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JP04423893A Expired - Lifetime JP3175867B2 (ja) | 1993-03-05 | 1993-03-05 | 移動無線基地局のダイバーシチ装置 |
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