JP3612010B2 - 偏波制御システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は干渉波が存在する環境において、干渉波を除去して所望の信号波（以下、「希望波」という）を受信できるようにした偏波制御システムと端末およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線伝搬路における干渉波やマルチパスフェージングに起因する通信品質の劣化を軽減し、システム容量を増大するための技術として、アレーアンテナの受信出力を制御して希望波に対して放射パターンの最大値を向け、干渉波に対して放射パターンの零点を向ける制御を行うことにより、出力信号の希望波信号対干渉波および雑音レベル比（以下出力ＳＩＮＲと記す）を最大にする機能を持つアダプティブ送受信機がある。
【０００３】
従来、このような機能を実現できるようにした装置として、例えば図７に示すようにアンテナ素子をＮ素子（Ａ１〜ＡＮ）配列し、その各素子Ａｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）の出力ｘｉに対して到来波のレベル、方向などに対応する重み付けｗｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）を重み付け装置３０で行い、その重み付けした出力を合成装置４０で合成して所望の出力を得る。この図に示したものは、各アンテナ素子Ａ１〜ＡＮの各受信信号を送受信装置２０でそれぞれ復調し、各アンテナ素子ごとのベースバンド信号を得、これらベースバンド信号と、合成装置４０よりの合成信号を制御装置５０に入力して、アンテナ素子Ａ１〜ＡＮのそれぞれと対応するベースバンド信号に対し、重み付け装置３０で重みＷ１〜ＷＮを乗算して、アンテナ素子Ａ１〜ＡＮよりなるアレーの放射パターンの最大値が希望波方向に向き、かつ零点が干渉波方向に向くように制御している。アレーアンテナの放射パターンを制御するにはアンテナ素子Ａ１〜ＡＮの対応の各ベースバンド信号に対し、重みＷ１〜ＷＮを与える場合に限らず、アンテナ素子Ａ１〜ＡＮの各受信高周波信号に対して重みＷ１〜ＷＮをそれぞれ与え、あるいは、送受信装置２０内の各アンテナ素子Ａ１〜ＡＮ対応の中間周波信号に対して重みを与えてもよい。このことはこの発明においても云えることである。
【０００４】
また、この装置を陸上移動通信システムに適用した場合、各アンテナ素子Ａｉに用いる偏波は、簡単な構造で設置性にも優れたダイポール等の線状アンテナで容易に水平面内無指向性が得られるという理由から、垂直偏波が一般に用いられてきた。
ところが、垂直偏波素子のみを用いた従来技術では次のような問題が生じる。図８は従来技術の問題点の例を示す図である。移動通信方式における基地局は６垂直偏波素子・６ブランチ半波長間隔直線配列アンテナを有するアダプティブ送受信機を用い、移動端末は垂直偏波素子アンテナを有する送受信機を用いた。ＸＰＤとは伝搬路の交差偏波識別度を意味し、この例では５ｄＢとしている。２端末に対して到来波を、１２０度セクタの範囲でランダムに生起させる試行回数を１０００とした。到来角度差を、第２移動端末の到来方向と、第１移動端末の到来方向との差で定義し、これと出力ＳＩＮＲの関係を求めている。この図から、希望波の到来方向と干渉波の到来方向の差が小さくなるにつれ、干渉波に対して完全に放射パターンの零点を向けることができず、干渉電力を抑圧しきれないことに起因する出力ＳＩＮＲの劣化が生じることがわかる。同時アクセスする移動端末数が増加するにつれて、希望波の到来方向と干渉波の到来方向が接近する確率が高くなることから、従来システムにおける出力ＳＩＮＲの劣化は、通信品質の劣化およびシステム容量増大の観点から問題である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、通信品質の劣化を軽減しシステム容量増大のための制御を実現する偏波制御システム、端末および制御方法を提供する点にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、この発明の無線端末は、所定の偏波特性を有する第１のアンテナ素子と、この第１のアンテナ素子の偏波特性に対して直交する偏波特性を有する第２のアンテナ素子と、送受信アンテナとして第１のアンテナ素子または該第２のアンテナ素子を選択する制御装置を有する。
この発明の偏波制御システムは所定の偏波特性を有する第１のアンテナと、第１のアンテナの偏波特性に対して直交する偏波特性を有する第２のアンテナと、第１のアンテナ及び第２のアンテナの出力信号を合成する合成装置と、その合成装置の出力信号ＳＩＮＲ又は出力信号の希望波対干渉波レベル比（以下出力ＳＩＲと記す）を監視する監視部と端末の送信偏波を設定する端末送信偏波設定部と新規割当端末の受信偏波として、出力信号のＳＩＲ又はＳＩＮＲが高くなる方の偏波を割当てる偏波割当部を包含する制御装置とを備える。
【０００７】
この発明の偏波制御システムは、新規割当端末に対し、所定の偏波特性で送信させ、各既存端末の送信波に対するＳＩＲ又はＳＩＮＲを測定し、この測定結果のＳＩＲ又はＳＩＮＲの最小値ＳＩＲ（Ｖ）又はＳＩＮＲ（Ｖ）を選択し、
新規割当端末に対し、所定の偏波特性と直交する偏波特性で送信させ、各既存端末の送信波に対するＳＩＲ又はＳＩＮＲを測定し、この測定結果のＳＩＲ又はＳＩＮＲの最小値ＳＩＲ（Ｈ）又はＳＩＮＲ（Ｈ）を選択し、
ＳＩＲ（Ｖ）又はＳＩＮＲ（Ｖ）とＳＩＲ（Ｈ）又はＳＩＮＲ（Ｈ）との大きい方と対応する偏波特性で送信するように、その新規割当端末に偏波特性を割当てる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１Ａはこの発明の端末の構成を示す。端末は所定の偏波特性を有する第１のアンテナ素子１０と、第１のアンテナ素子１０の偏波特性に対して直交する偏波特性を有する第２のアテナ素子１１と、送受信アンテナとして第１のアンテナ素子１０または第２のアンテナ素子１１を選択する制御装置１３と、送受信装置１４とから構成される。つまりこの例では第１のアンテナ素子１０に対する送受信装置と、第２のアンテナ素子１１に対する送受信装置とを制御装置１３で切替えることができるようにされる。
【０００９】
図２はこの発明の偏波制御システム（基地局）の構成を示す。この実施例はアダプティブアレーに適用した場合である。基地局は複数のアンテナ素子Ａ１，Ａ２，Ａ３で構成され所定の偏波特性を有する第３のアレーアンテナ６０と、複数のアンテナ素子Ａ４，Ａ５，Ａ６で構成され、第３のアレーアンテナ６０の偏波特性に対して直交する偏波特性を有する第４のアレーアンテナ６１と、第３のアレーアンテナ６０及び第４のアレーアンテナ６１の各アンテナ素子Ａ１〜Ａ６の出力信号に対してそれぞれ重み付けを行う重み付け装置３０と、重み付け装置３０から出力される信号を合成する合成装置４０と、合成装置４０の出力信号のＳＩＮＲを監視するＳＩＮＲ監視部７１及び端末の送信偏波を設定する端末送信偏波設定部７２、新規割当端末の送信偏波として出力信号のＳＩＮＲが大きくなる方の偏波を割当てる偏波割当部７３を包含し、合成装置４０の出力信号を基に重み係数Ｗ１〜Ｗ６を計算する重み係数計算部７４を包含し、重み付け装置３０の重み係数Ｗ１〜Ｗ６を制御する制御装置７０とから構成される。なお、端末の第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子１１、もしくは、基地局の第３のアレーアンテナ６０と第４のアレーアンテナ６１の各アンテ素子を、１つの素子において異なる点を給電点とすることで受信可能な電波の偏波方向を変化させ得るもので構成することも可能である。例えば、円形マイクロストリップアンテナである。これにより、第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子１１、もしくは、第３のアレーアンテナ６０と第４のアレーアンテナ６１が各素子で完全に共通化されるために、位置偏差に基づく不要波の除去効果の低下を防止することができる。
【００１０】
例えば端末において、図１Ｂに示すように、円形マイクロストリップアンテナ１０′を設け、その給電点を給電点切替部１５で切替えて送受信装置１４に接続することができるようにされ、その給電点切替部１５の給電点の切替えは制御装置１３により行うようにされる。また基地局においても第３のアレーアンテナ６０と第４のアレーアンテナ６１の各アンテナ素子としての前記円形マイクロストリップアンテナを用い、その前記二つの給電点に同時に給電して二つの偏波について同時に送受信するようにすることにより前記位置偏差に基づく不要波除去効果の低下を防止できる。
【００１１】
図３はこの発明の偏波制御システムにかかる制御装置７０における空間・偏波制御方法の処理手順の例を示す。
まず新規割当端末の番号ｋ（ｋは１以上ｎ以下の整数）を１に初期化し（Ｓ１）、予め決めた偏波で基地局と端末間の通信を行う（Ｓ２）、その時の合成装置４０の出力信号（以下、単に出力信号と記す）のＳＩＮＲを測定する（Ｓ３）。次に同時にアクセスする端末の数ｎ（ｎは１以上の整数）が２以上であるかを調べ（Ｓ４）、２以上でなければ終了する。つまり同時アクセス端末数がその新規割当の第ｋ端末の１個の場合は、基地局と端末間の通信はステップＳ２で割当てた所定の偏波で行う。
【００１２】
次にステップＳ４で同時アクセス端末数ｎが２以上と判定されると、ｋを２に更新し（Ｓ５）、そのｋがｎ以下かを調べ（Ｓ６）、ｎ以下でなければ後述で明らかなように新規割当第ｋ端末に対する偏波の割当てが終了したから、出力信号のＳＩＮＲを測定して終了する（Ｓ７）。
ｋがｎ以下であれば、新規割当第ｋ端末に、所定の偏波Ｖ、例えば垂直偏波を割当てる制御信号を例えば制御チャネルにより送信する（Ｓ８）。この送信に基づき、新規割当第ｋ端末は偏波Ｖで送信する（Ｓ９）。この状態で既存端末を示すｉ（ｉは１以上ｋ−１以下の整数）を１に初期化し（Ｓ１０）、その第ｉ端末はそれに割当られた所定の偏波で送信させ（Ｓ１１）、その時の伝搬路の交差偏波識別度ＸＰＤに基づいた受信レベルで、所定偏波ＶとＨの各電波を受信し（Ｓ１２）、その時のＳＩＮＲ（ｉ）を求める（Ｓ１３）。その後ｉがｋ−１以下であるかを調べ（Ｓ１４）、ｋ−１以下であれば、つまり既存端末の電波との干渉状態を調べてない既存端末があればｉを＋１してステップＳ１１に移り、次の第ｉ端末についてＳＩＮＲ（ｉ）の測定を行う（Ｓ１５）。
【００１３】
全ての既存端末、つまり第１〜第ｋ−１既存端末の所定の偏波Ｖとについて新規割当第ｋ端末の偏波Ｖとの干渉状態つまりＳＩＮＲ（ｉ）の測定を終了すると、これら（ｋ−１）個のＳＩＮＲ（ｉ）中の最小値ＳＩＮＲ（Ｖ）を選択する（Ｓ１６）。
なおｋ＋ｉ＝ｎである。
次に前記新規割当第ｋ端末に、所定偏波Ｖと直交する偏波Ｈ（例えば水平偏波）を割当てる制御信号を送信する（Ｓ１７）。よって新規割当第ｋ端末は偏波Ｈで送信する（Ｓ１８）。この状態でｉを１に初期化し（Ｓ１９）、第ｉ既存端末に、それに割当てられた所定の偏波で送信させ（Ｓ２０）、その時のＸＰＤに基づいた受信レベルで所定偏波ＶとＨの各電波を受信し（Ｓ２１）、その時のＳＩＮＲ（ｉ）を求める（Ｓ２２）。ｉがｋ−１以下であるかを調べ（Ｓ２３）、ｋ−１であればｉを＋１して、ステップＳ２０に戻り、次の第ｉ端末についてＳＩＮＲ（ｉ）を測定することを行う（Ｓ２４）。このようにして全ての既存端末についてのＳＩＮＲ（ｉ）を測定すると、これらＳＩＮＲ（ｉ）中の最小値ＳＩＮＲ（Ｈ）を選択する（Ｓ２５）。
【００１４】
このＳＩＮＲ（Ｈ）と先に選択したＳＩＮＲ（Ｖ）とを比較し（Ｓ２６）そのＳＩＮＲの高い方を選択し、つまり新規割当第ｋ端末には高いＳＩＮＲが得られた偏波を割当て、そのＳＩＮＲを出力し（Ｓ２７）、ｋを＋１してステップＳ６に戻る。従ってｋがｎと等しくなるまで、つまり生じた新規割当端末の全てについて偏波の割当が済むまで同様のことを行う。
上記の結果から、ＸＰＤに基づいた受信レベルで所定の偏波およびこれと直交する偏波で受信する基地局において、新規割当第ｋ端末に対して所定の偏波またはこれと直交する偏波を割当てた場合、ｋ−１の既存端末の出力ＳＩＮＲの最小値を比較しそれが高くなる方の偏波を選択してその新規割当第ｋ端末に割当てることにより、同時アクセス端末数がｎである端末群と通信を行う基地局のシステム容量が増大する。
【００１５】
以上図４に示した新規端末に対する偏波割当制御は図２中の偏波割当部７３で行うが、これはコンピュータによりプログラムを解釈実行させて機能させることができる。つまり例えば図４に示すようにＳＩＮＲ監視部７１、端末送信偏波設定部７２、既存端末送信制御部８１、記憶部８２、偏波制御プログラムが格納されたメモリ８３、基本プログラムメモリ８４、ＣＰＵ８５がバス８６に接続されている。図３中のステップＳ８、ステップＳ１７における新規割当第ｋ端末に対し、所定の偏波特性で送信させる制御信号の生成は端末送信偏波設定部７２で行い、ステップＳ１１、Ｓ２０における第ｉ既存端末に対しその割当偏波で送信させる制御信号の生成は既存端末送信制御部８１で行い、ステップＳ１３、Ｓ２２で測定されたＳＩＮ監視部７１からの各ＳＩＮＲ（ｉ）は記憶部８２に記憶され、ＣＰＵ８５が偏波制御プログラムを解釈実行することにより、図３に示した処理が実行される。ステップＳ２７で決定された偏波特性を送受信のために、その新規割当第ｋ端末に割当てる制御信号も端末送信偏波設定部７２で生成させる。
【００１６】
図３に示した偏波制御の手順から理解されるように、この発明は必ずしもアレーアンテナを用いるアダプティブ送受信機に限らず、アダプティブ制御しない場合においても、各端末の送受信電波として所定の偏波特性と、これと直交した偏波特性とを、干渉がなるべく生じないように割当てることができ、それだけ同時アクセス端末数と通信する基地局のシステム容量を増大させることができる。
また上述において、ＳＩＮＲの代りにＳＩＲ（希望波対干渉波レベル比）を用いてもよい。更にこの発明は、ＴＤＭＡ，ＦＤＭＡ，ＣＤＭＡなど何れのアクセス方式にも適用できる。更に従来の技術の項で述べたように、この発明をアダプティブ送受信機に適用する場合はその各アンテナ素子対応の信号に対する重み付与は、高周波段、中間周波段、ベースバンド段の何れで行ってもよい。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、所望の偏波特性と、これと直交する偏波特性を、端末に干渉が少ないように選択的に割当てることにより同時アクセス可能な端末数を多くすることができ基地局のシステム容量を増大することができる。
次にこの発明をアダプティブ送受信機に適用した場合の電子計算機シミュレーションによる実験例を説明する。
【００１８】
図５にその一例を示す。ここで、従来構成とは図７に示した６垂直偏波素子・６ブランチ半波長間隔直線配列のアダプティブ送受信機であり、提案構成とは図２に示したこの発明の３垂直偏波素子・３水平偏波素子・６ブランチ半波長間隔直線配列の空間・偏波制御システムである。ＸＰＤは５ｄＢとしている。２端末に対して到来波を２０度の範囲でランダムに生起させる試行回数を１０００としている。到来角度差を第２端末の到来方向と第１端末の到来方向の差で定義し、これと出力ＳＩＮＲの関係を求めている。この図から垂直偏波素子のみを用いた従来技術では、希望波の到来方向と干渉波の到来方向の差が小さくなるにつれ、干渉波に対して完全に放射パターンの零点を向けることができず干渉電力を抑圧しきれないことに起因する出力ＳＩＮＲの劣化が生じることがわかる。ところが、提案構成では希望波の到来方向と干渉波の到来方向の差が小さい場合でも偏波成分の違いにより端末を分離できることがわかる。
【００１９】
図６は他の実験例を示す。ここで、従来構成とは図７に示した６垂直偏波素子・６ブランチ半波長間隔直線配列のアダプティブ送受信装置であり、提案構成とは図２に示したこの発明の３垂直偏波素子・３水平偏波素子・６ブランチ半波長間隔直線配列の空間・偏波制御システムである。ＸＰＤは５ｄＢとしている。各端末数に対して到来波を１２０度セクタの範囲でランダムに生起させる試行回数を１０００とし、同時アクセス端末数と出力ＳＩＮＲ累積確率５０％値の関係を求めている。同時アクセス端末数が増加すると希望波と干渉波の到来方向が接近する確率が高くなる。図５で示したように提案構成では希望波の到来方向と干渉波の到来方向の差が小さい場合でも偏波成分の違いにより端末を分離できることから、図６から提案構成は端末数が多くなっても出力ＳＩＮＲの低下が従来構成よりも緩やかになっていることがわかる。
【００２０】
以上述べたようにこの発明では、基地局において出力ＳＩＮＲ又はＳＩＲが高くなる方の偏波で送信するように端末に対して送受信を行う偏波を割当てることにより、垂直偏波素子のみを用いた従来技術では干渉電力を抑圧しきれないことに起因する出力ＳＩＮＲ又はＳＩＲの劣化を補償することが可能となる。この効果により、通信品質の劣化を軽減しシステム容量増大が実現できる。さらに、同一ブランチ数の垂直偏波素子のみの従来構成と比較してアンテナ設置空間の削減も実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の移動通信端末の構成例を示す図。
【図２】この発明の偏波制御システムの構成例を示す図。
【図３】この発明の偏波制御方法の例を示す流れ図。
【図４】図３に示した処理をコンピュータに行わせる場合の構成例を示す図。
【図５】この発明の効果例としての２端末電波の到来角度差と出力ＳＩＮＲの関係例を示す図。
【図６】この発明の効果の他の例として、同時アクセス端末数と、出力ＳＩＮＲの関係例を示す図。
【図７】従来のアダプティブ送受信機の構成例を示す図。
【図８】従来技術の問題点の例を説明するための２端末電波の到来角度差と出力ＳＩＮＲの関係例を示す図。
【符号の説明】
２０ 送受信装置
３０ 重み付け装置
４０ 合成装置
６０ 第３のアレーアンテナ
６１ 第４のアレーアンテナ
７０ 制御装置
７１ ＳＩＮＲ監視部
７２ 端末送信偏波設定部
７３ 偏波割当部

Claims (4)

1. 複数の端末と基地局からなる偏波制御システムにおいて、
   上記端末は、
   所定の偏波特性を有する第１アンテナ素子と、
   その第１アンテナ素子の偏波特性に対して直交する第２アンテナ素子と、
   受信した端末送信偏波設定信号に応じて、送受信アンテナとして上記第１アンテナ素子又は上記第２アンテナ素子を上記基地局からの制御信号に基づいて選択する制御装置とを具備し、
   上記基地局は、
   所定の偏波特性を有する複数のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナの第３アンテナと、
   上記第３アンテナの偏波特性に対して直交する偏波特性の複数のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナの第４アンテナと、
   上記第３アンテナ及び上記第４アンテナの各アンテナ素子の出力信号に対して重み付けを行なう第１及び第２重み付け装置と、
   上記第１重み付け装置の出力信号と上記第２重み付け装置の出力信号とを合成する合成装置と、
   交差偏波識別度 XPD に基づいた受信レベルで受信した上記合成装置の出力信号の希望波信号対干渉波信号レベル比（以下 SIR と記す）又は希望波信号対干渉波信号及び雑音レベル比（以下 SINR と記す）を求める監視部、
   端末の送信偏波を設定する制御信号を端末に送信する端末送信偏波設定部、
   上記合成装置の出力信号を基に上記第１及び第２重み付け装置の重み係数を制御する重み係数生成部、
   上記端末の送信偏波として設定したの所定の偏波と、これに直交する偏波における上記 SIR 又は SINR をそれぞれ求め、
   上記求めた SIR 又は SINR の各最小値中の高い方と対応する偏波を新規割当端末の送信偏波として割当てる偏波割当部を有する制御装置とを具備する偏波制御システム。
2. 上記第３アンテナの各アンテナ素子と上記第４アンテナの各アンテナ素子として、１つのアンテナ素子の異なる点を給電点とすることにより送受信可能な電波の偏波の偏波方向が変化するアンテナ素子が用いられ、その各アンテナ素子の前記両給電点に送受信装置が接続されていることを特徴とする請求項１記載の偏波制御システム。
3. 上記第１アンテナ素子と上記第２アンテナ素子は、１つのアンテナ素子の異なる点を給電点とすることにより送受信可能な電波の偏波方向が変化させられる１アンテナ素子として構成され、その給電点の切替えを上記制御装置により制御される給電点切替え部を備えることを特徴とする請求項１記載の偏波制御システム。
4. 偏波制御システムによる移動端末に対する送信偏波制御方法であって、
   新規割当端末に対して、所定の偏波特性で送信するように偏波割当制御信号を送信する過程と、
   上記新規割当端末に対し送信偏波を上記所定の偏波特性に設定した状態で各既存の端末の送信波に対する希望波信号対干渉波レベル比（以下SIRと記す）又は希望波信号対干渉波及び雑音レベル比（以下SINRと記す）を、その時の伝搬路の交差偏波識別度 XPD に基づいた受信レベルで測定する第１測定過程と、
   その第１測定過程で測定したSIR又はSINRの最小SIR（V)又はSINR（V)を選択する過程と、
   上記新規割当端末に対して、上記所定の偏波特性に対し直交する偏波特性で送信するように偏波割当制御信号を送信する過程と、
   上記新規割当端末に対し送信偏波を上記所定偏波特性に対し直交する偏波特性に設定した状態で各既存の端末の送信波に対するSIR又はSINRを、その時の伝搬路の交差偏波識別度 XPD に基づいた受信レベルで測定する第２測定過程と、
   その第２測定過程で測定したSIR又はSINRの最小値SIR（H）又はSINR（H)を選択する過程と、
   上記最小SIR（V）又はSINR（V)と上記最小SIR（H)又はSINR(H)とを比較する過程と、
   この比較においてSIR又はSINRの高い方に対応する偏波特性で送信するように偏波特性を割当てする偏波特性割当制御信号を上記新規割当端末に送信する過程と、を有する偏波制御システムの制御方法。

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