JP4161502B2

JP4161502B2 - 無線基地局装置

Info

Publication number: JP4161502B2
Application number: JP37570399A
Authority: JP
Inventors: 伝幸柴田; 徳祥鈴木; 美俊藤元; 修朗伊藤
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: JP2001189617A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は無線基地局装置に関し、詳しくは、無線ＬＡＮ等の限られたエリア内での通信不能領域が存在しないようにしたアダプティブ通信用の無線基地局装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、移動端末や携帯端末に対して音声やデータの通信を行う無線通信システムとして、セルラーシステム、ＰＨＳシステム、および無線ＬＡＮシステムが実用化されている。このような無線通信システムでは、周波数資源の有効利用の観点から、限られた周波数帯域内にできるだけ多数のユーザ（端末）を収容できるようにすることが必要である。
【０００３】
この要求に対して、電波の空間的な利用効率を向上させる方法が有効とされている。マイクロセル化、ピコセル化はその一手法である。この手法は、基地局の通信サービスエリアを小さくし（マイクロセル化／ピコセル化）、セル数を増やすことで電波の空間的利用効率を高め、システム全体として収容可能な端末の数を増加させる方法である。
【０００４】
しかし、この方法では端末がある基地局の通信サービスエリアから他の通信サービスエリアに移動することによるセル間ハンドオフの頻度が増加するという問題がある。また、隣接する基地局間の距離が小さくなった場合には、それら隣接する基地局の通信サービスエリアが一部オーバラップする結果、隣接する基地局同士が互いに干渉を起こして通信品質が劣化し、最悪の場合には通信が切断されてしまうという問題が生じる。この現象は、基地局間の距離が短い場合のみならず、距離が離れていても基地局の設置場所の条件等により電波の伝搬による減衰が小さい場合にも起こり得る。このようなことから、マイクロセル化／ピコセル化では通信サービスエリアであるセルを理想的に配置することができず、電波の空間的利用効率を有効に向上させることができない。
【０００５】
また、電波の空間的利用効率を向上させる別の手法として、通信サービスエリアのセクタ化がある。これは電波の放射方向を制限することで、通信システム内で同一周波数を使用するユーザの数を増加させる方法である。この方法においても、前述したハンドオフ頻度の増加の問題があり、さらに通信サービスエリアが固定的であるために、実際の電波伝搬環境やその変化に対する柔軟性に乏しいという問題がある。
【０００６】
一方、上記二つの手法と同様に空間的に電波の放射方向を制限して電波の空間的利用効率を向上させるアプローチとして、アダプティブアレイアンテナの使用が提案されている。アダプティブアレイアンテナは、波長のオーダーと同程度の距離に近接配置された複数の無指向性アンテナ素子と、各アンテナ素子の送受信信号に対し重み係数を乗じて振幅および位相の重み付けを行う重み付け器と、これらの重み付け器を介して各アンテナ素子への送信信号の分配および各アンテナ素子からの受信信号の合成を行う分配／合成部とで構成され、重み係数の制御により適応的に指向性を変えることが可能である。
【０００７】
特開平９−２１９６１５号公報には、アダプティブアレイアンテナを有する基地局と複数の端末との間で通信を行う無線通信システムにおいて、アダプティブアレイアンテナから参照信号を送信し、参照信号に対する受信信号に基づき重み係数を計算して重み付けを行い指向性を制御する方法が開示されている。
【０００８】
このアダプティブアレイアンテナを基地局に用いた通信システムでは、図６に示すように、１つのアンテナ素子を用いる場合に比べアンテナの利得を向上させて、通信エリアを拡大することができると共に、所望の方向にゲインを持ち、妨害波の到来する非所望の方向に合成指向性の零（ヌル）点を形成してゲインを持たないように、その指向性を制御することができるため、実際の電波伝搬環境に則した空間の有効利用が可能となり、通信システムのマイクロセル／ピコセル化や通信サービスエリアのセクタ化といった従来の手法に比較して有利と考えられる。
【０００９】
【発明の解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示すように、合成されたアンテナ指向性の方向に障害物が存在すると、その障害物により電波が遮蔽され通信不能領域が発生する場合があり、このため通信エリア全体で見ると安定した通信が不可能になる、という問題がある。また、アンテナ指向性の方向から外れた領域からの信号を受信したり、その領域へ信号を送信できない、という問題がある。
【００１０】
従って、本発明の目的は、通信エリアを拡大しつつ、耐遮蔽特性を向上させ、通信エリア内における通信不能領域を減らすことができるアダプティブ通信用の無線基地局装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の無線基地局装置は、アンテナ素子の個数をｎ個とし、１つのアンテナ素子でカバーできる通信エリアの半径をａとした場合に、上記式（２）で表される間隔ｄだけ離間して配置された複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子に接続され、送受信信号の振幅及び位相、または送受信信号の振幅、位相、及び遅延時間を変化させるための重み付けを行う重み付け手段と、前記複数のアンテナ素子で受信され、かつ重み付けされた受信信号を合成すると共に、送信信号を前記重み付け手段で重み付けして複数のアンテナ素子に分配する合成分配手段と、合成された受信信号の信号強度が最適になるように、前記重み付け手段の重み付けを制御する重み付け制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明では、複数のアンテナ素子が送受信信号の波長より長い間隔、即ち、アンテナ素子の個数をｎ個とし、１つのアンテナ素子でカバーできる通信エリアの半径をａとした場合に、上記式（２）で表される間隔ｄだけ離間して配置されているので、通信エリアを拡大することができると共に、通信エリア内に障害物が存在し、その障害物により１つのアンテナ素子と端末機との間の電波が遮蔽されても、他のアンテナ素子と端末機との間では通信可能である。
【００１３】
また、複数のアンテナ素子には重み付け手段が接続されており、重み付け手段は送受信信号の振幅及び位相、または送受信信号の振幅、位相、及び遅延時間を変化させるための重み付けを行う。合成分配手段は、複数のアンテナ素子で受信され、かつ重み付けされた受信信号を合成すると共に、送信信号を重み付け手段で重み付けして複数のアンテナ素子に分配する。重み付け制御手段は、合成された受信信号の信号強度が最適（例えば、最大）になるように、重み付け手段の重み付けを制御する。従って、１つのアンテナ素子と端末機との間の電波が遮蔽されても、他のアンテナ素子で受信した受信信号を合成することにより通信障害を除去することができる。即ち、耐遮蔽特性が向上し、通信エリア内における通信不能領域が減少する。
【００１４】
請求項２の無線基地局装置は、請求項１の発明において、前記重み付け制御手段は、受信待機時には各アンテナ素子により受信される受信信号の重みが均等になるように重み付けを制御し、通信時には最大強度の信号を受信したアンテナ素子の通信信号の信号強度が最大になるように重み付けを制御することを特徴とする。
【００１５】
このように、受信待機時には各アンテナ素子に対する重みが均等になるため、全ての方向からの信号を均等に受信可能にし、通信時には最大強度の信号を受信したアンテナ素子の通信信号の信号強度が最大になるように重み付けすることで、通信エリア内に障害物が存在し、その障害物により特定のアンテナ素子と端末機との間の電波が遮蔽されていても、端末機の発呼を最も強く受信したアンテナ素子から送信された送信信号の信号強度を最大にすることができ、常に通信可能な状態を確保することができる。
【００１６】
請求項３の無線基地局装置は、請求項１または２の発明において、前記送受信信号が直交周波数分割多重信号（ＯＦＤＭ信号）であることを特徴とする。ＯＦＤＭ信号を用いることにより、マルチパスが発生しても遅延波を除去することができ、信号伝送の高速化、伝送品質の高品質化を図ることができる。
【００１７】
請求項１〜３の発明において使用する信号波の波長は数ｃｍであるので、複数のアンテナ素子は５０〜１００ｍ離間して配置すると効果的である。これは送信信号の波長の数十倍から数千倍にあたり、アンテナ素子は送受信信号の波長より遥かに長い間隔離間して配置されていることになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１に示すように、アダプティブアレイ送受信装置を備えた本実施の形態における無線基地局装置２０は、複数のアンテナ素子１０₁、１０₂、１０₃、…１０_nからなるアンテナアレイ１０を備えており、アンテナアレイ１０の各アンテナ素子１０₁、１０₂、１０₃、…１０_nは、送受信信号の波長より長い間隔離間して配置されている。各アンテナ素子１０₁、１０₂、１０₃、…１０_nは、各アンテナ素子の送受信信号に対して設定された重み係数（複素重み係数）を乗じることにより振幅及び位相の重み付けを行う重み付け器１２₁〜１２_nに接続されている。重み付け器１２₁〜１２_nは、アンテナアレイ１０への送信信号の分配とアンテナアレイ１０からの受信信号の合成とを行う分配／合成部１４に接続されており、分配／合成部１４は変復調部１６に接続されている。
【００２０】
重み付け器１２₁〜１２_nの重み係数設定入力端は、それぞれ重み付け器１２₁〜１２_nの重みを制御する重み付け制御装置１８に接続され、重み付け制御装置１８にはアンテナ素子１０₁、１０₂、１０₃、…１０_nが接続されている。また、重み付け器１２₁〜１２_nは、例えば、振幅の重み付けのための可変利得増幅器または可変減衰器と、位相の重み付けのための可変移相器とからなる振幅・位相変換器で構成されている。
【００２１】
なお、送受信信号には、直交周波数分割多重信号（ＯＦＤＭ信号）を用いることが好ましい。移動通信において信号伝送の高速化、伝送品質の高品質化を図るためには、伝搬路における多重反射によって長い遅延時間で到来する遅延波の抑制が必要となるが、ＯＦＤＭ信号は、その伝送特性によりマルチパスが発生しても遅延波を除去することができる。
【００２２】
この無線基地局装置２０は、通常の通信に際しては、送信時には変復調部１６から出力される変調信号が分配／合成部１４により重み付け器１２₁〜１２_nの各々に分配され、ここで重み付けがなされた後、アンテナ素子１０₁、１０₂、１０₃、…１０_nに供給される。受信時にはアンテナ素子で受信された受信信号が重み付け器１２₁〜１２_nにより重み付けされ、さらに分配／合成部１４により合成された後、変復調部１６に入力されて復調が行われる。
【００２３】
次に、アンテナ素子の配置について説明する。
【００２４】
図２に示すように、ｎ（ｎ≧３）個のアンテナ素子１０₁、１０₂、１０₃、…１０_nを配置してアンテナアレイ１０を構成する場合には、１つのアンテナ素子がカバーできる通信エリアの半径をａとすると、アンテナアレイ１０の内側に通信不能領域を発生させないためには、無線基地局装置２０を中心点Ｏとした半径ａの円周上に、アンテナ素子１０₁、１０₂、１０₃、…１０_nを等間隔に配置することになる。隣接するアンテナ素子をＡ₁、Ａ₂とすると、∠ＯＡ₁Ａ₂は下記（１）式で表されるので、アンテナ素子間の最適距離ｄは下記（２）式で表される。
【００２５】
【数１】

上記（２）式によれば、例えば、３つのアンテナ素子からアンテナアレイ１０を構成する場合には、隣接するアンテナ素子間の最適距離ｄは下記（３）式で表され、４つのアンテナ素子からアンテナアレイ１０を構成する場合には、隣接するアンテナ素子間の最適距離ｄは下記（４）式で表される。
【００２６】
【数２】

なお、送信信号の波長は数ｃｍ程度であるため、アンテナ素子の配置間隔は、５０ｍ〜１００ｍ程度が好ましい。これは送信信号の波長の数十倍から数千倍にあたり、アンテナ素子は送受信信号の波長より遥かに長い間隔離間して配置されていることになる。
【００２７】
次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施の形態の無線基地局装置２０の重み付け制御装置１８の制御ルーチンについて説明する。
【００２８】
まず、ステップ１００において、各重み付け器１２₁〜１２_nに同じ重み係数を設定し、ステップ１０２において端末機３０から発呼があった否かを判断する。発呼があったときには、ステップ１０４においてアンテナ素子の各々で受信された受信信号を取り込み、最大強度の信号を受信したアンテナ素子の受信信号の信号強度が最大になるように重み係数を変更し、変更した重み係数を重み付け器１２₁〜１２_nに設定する。端末機３０から発呼が無いときには、ステップ１０２に戻り、再度、端末機３０から発呼があった否かを判断する（信号待機状態）。
【００２９】
重み係数を設定した後、ステップ１０６で合成分配器、重み付け器、及びアンテナ素子を介して端末機３０に応答信号を送信し、ステップ１０８で送信を実行する。このとき最大重みが設定された重み付け器１２₁〜１２_nに対応するアンテナ素子からは、最大強度の応答信号が送信されることになり、最大強度での通信が可能になる。
【００３０】
通信実行中は、ステップ１１０において、最大強度の受信信号を判別し、最大強度の受信信号の信号強度が低下したか否かを判断し、信号強度が低下しているときには、ステップ１１２で最大強度の信号を受信したアンテナ素子から送信される送信信号の信号強度が常に最大になるように重み係数を各々変更する。
【００３１】
重み係数を変更した後、ステップ１１４で通信が終了したかを判断し、通信が終了していないときはステップ１１０に戻り、再度、最大強度の受信信号の信号強度が低下しているか否かを判断する。ステップ１１０で最大強度の受信信号の信号強度が低下していないと判断されたときは、重み係数を変更せず、ステップ１１４で通信が終了したかを判断する。通信が終了したときは、ステップ１１６で各重み付け器１２₁〜１２_nに同じ重み係数を設定し、重み付けを解除する。
【００３２】
なお、上記では通信中は最大強度の信号を受信したアンテナ素子から送信される送信信号の信号強度が最大になるように制御したが、例えば、各アンテナ素子で受信した受信信号の強度が大きくなる順に重みが大きくなるように、各重み付け器１２₁〜１２_nに重みを設定してもよい。
【００３３】
また、図４に示すように、合成／分配器１４と変復調部１６との接続部を重み付け制御装置１８に接続し、アンテナ素子の各々で受信された受信信号を合成した後、重み付け制御装置１８に取り込み、合成された受信信号の信号強度が最大になるように重み係数を変更してもよい。
【００３４】
また、図１の重み付け器１２₁〜１２_n各々を、図７に示すように、直列に接続されたｍ個の遅延回路３２₁〜３２_m、上記で説明した重み付け器１２₁〜１２_nと同一構成で一端が各々遅延回路の一端に接続された振幅・位相変換器３４₁〜３４_m、及び振幅・位相変換器の他端が接続された合成／分配部３６で構成し、送受信時に位相、振幅、及び遅延時間を変更してもよい。遅延回路により各アンテナ素子に到来する信号の時間差を補償することができ、信号強度（ＳＮ比）を高めることができる。
【００３５】
既に述べたように、従来の複数の無指向性アンテナ素子を波長のオーダーと同程度の距離に近接配置したアダプティブアレイアンテナでは、合成されたアンテナ指向性の方向に障害物が存在すると、その障害物により電波が遮蔽され通信不能領域が発生するが、本実施の形態では、図５に示すように、アンテナアレイ１０を構成する複数のアンテナ素子が、送受信信号の波長より長い間隔離間して配置されているので、通信エリアを拡大することができると共に、通信エリア内に障害物が存在し、その障害物により１つのアンテナと端末機との間の電波が遮蔽されても、他のアンテナ素子と端末機との間では通信可能であるため、他のアンテナ素子で受信した受信信号を合成することにより通信障害を除去することができる。即ち、耐遮蔽特性が向上し、通信エリア内における通信不能領域が減少し、通信エリア半径を２倍まで広げることができる。
【００３６】
また、アンテナ素子間の距離を広くすることで、基地局の数を削減することができ、制御システムの簡易化と配置コストの低減とを図ることができる。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の無線基地局装置によれば、通信エリアを拡大しつつ、耐遮蔽特性を向上させ、通信エリア内における通信不能領域を減らすことができる、という効果が得られる。
【００３８】
請求項２の無線基地局装置によれば、受信待機中に各アンテナ素子に対する重み付け均等にしたので、全ての方向からの発呼を受信でき、通信中は強度が最大の受信信号に対する重みを最大にしたので、最適な状態で通信できる、という効果が得られる。
【００３９】
請求項３の無線基地局装置によれば、マルチパスが発生しても遅延波を除去することができ、信号伝送の高速化、伝送品質の高品質化を図ることができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の無線基地局装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態の無線基地局装置の４つのアンテナ素子の配置例とその通信エリアを示す模式図である。
【図３】本実施の形態の無線基地局装置の重み付け制御装置の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】本実施の形態の無線基地局装置の変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図５】本実施の形態の無線基地局装置の耐遮蔽特性を説明する説明図である。
【図６】従来の無線基地局装置のアダプティブ制御と通信可能領域とを示す模式図である。
【図７】本実施の形態の無線基地局装置の変形例の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０アンテナアレイ
１２重み付け器
１４，３６分配／合成部
１６変復調部
１８重み付け制御装置
２０無線基地局装置
３０端末機
３４振幅・位相変換器

Claims

アンテナ素子の個数をｎ個とし、１つのアンテナ素子でカバーできる通信エリアの半径をａとした場合に、下記式（２）で表される間隔ｄだけ離間して配置された複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子に接続され、送受信信号の振幅及び位相、または送受信信号の振幅、位相、及び遅延時間を変化させるための重み付けを行う重み付け手段と、
前記複数のアンテナ素子で受信され、かつ重み付けされた受信信号を合成すると共に、送信信号を前記重み付け手段で重み付けして複数のアンテナ素子に分配する合成分配手段と、
合成された受信信号の信号強度が最適になるように、前記重み付け手段の重み付けを制御する重み付け制御手段と、
を備えた無線基地局装置。
前記重み付け制御手段は、受信待機時には各アンテナ素子により受信される受信信号の重みが均等になるように重み付けを制御し、通信時には最大強度の信号を受信したアンテナ素子の通信信号の信号強度が最大になるように重み付けを制御する請求項１に記載の無線基地局装置。
前記送受信信号が直交周波数分割多重信号である請求項１または２に記載の無線基地局装置。
前記複数のアンテナ素子を、５０ｍ〜１００ｍ離間して配置した請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線基地局装置。
前記複数のアンテナ素子を、送受信信号の波長の数十倍から数千倍の間隔だけ離間して配置した請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線基地局装置。