JP6679830B2

JP6679830B2 - 受信装置、及び受信方法

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Publication number: JP6679830B2
Application number: JP2015047942A
Authority: JP
Inventors: 悠希酒井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: JP2016171362A

Description

本発明は、受信装置、及び受信方法に関し、特に対流圏散乱伝搬を利用した通信や見通し外通信に用いて好適な受信装置、及び受信方法に関する。

フェージング伝送路を有する無線通信では、ダイバーシティ受信方式が用いられる。ダイバーシティ方式を必要とするマルチパスフェージング回線においては、干渉波除去及びマルチパス歪みの適応等化が行われる。特許文献１の受信装置は、図４に示すように、アンテナ群２１、帯域通過ろ波器２２ａ、２２ｂ、低雑音増幅器２３ａ、２３ｂ、ダウンコンバータ２４ａ、２４ｂ、自動利得制御器２５ａ、２５ｂ、適応整合フィルタ２６ａ、２６ｂ、合成回路２７、及び自動等化回路２８を有する。

アンテナ群２１は、２個のホーンアンテナ２１ａ、２１ｂからなる。図４の受信装置は、ホーンアンテナ２１ａ、２１ｂからの受信信号を、２個のブランチ（受信系）として受信する。図４の受信装置は、ホーンアンテナ２１ａからの受信信号を、帯域通過ろ波器２２ａ、低雑音増幅器２２ａ、ダウンコンバータ２４ａ、自動利得制御器２５ａ及び適応整合フィルタ２６ａを経て受信する。図４の受信装置は、ホーンアンテナ２１ｂからの受信信号を、帯域通過ろ波器２２ｂ、低雑音増幅器２２ｂ、ダウンコンバータ２４ｂ、自動利得制御器２５ｂ及び適応整合フィルタ２６ｂを経て受信する。

合成回路２７は、適応整合フィルタ２６ａ、２６ｂから入力された信号を、ダイバーシティ合成する。自動等化回路２８は、ダイバーシティ合成された信号に対する自動等化を行い、受信信号を再生する。

国際公開第２０１３／１４５６６３号

対流圏散乱伝搬を利用した通信のためには、空中線結合損失と長周期フェージングによる受信レベル低下を考慮したシステム設計をする必要がある。空中線結合損失と長周期フェージングが発生するため、受信入力レベルが低下した場合でも通信断とならないように、大口径の空中線、大電力増幅装置、ダイバーシティ受信装置等が必要である。その結果、システム規模が大きくなってしまっていた。

本発明の目的は、対流圏散乱伝搬を利用した通信や見通し外通信に用いて好適で、小型化が可能な受信装置及び受信方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る受信装置は、複数の空中線の受信信号によってダイバーシティ受信を行う受信装置であって、
上記複数の空中線と、上記複数の空中線からの受信信号を監視し、監視結果に応じて上記複数の空中線の仰俯角及びビーム幅を制御する制御部と、を有する。

本発明に係る受信方法は、複数の空中線の受信信号によってダイバーシティ受信を行う受信方法であって、
上記複数の空中線からの受信信号を監視し、監視結果に応じて上記複数の空中線の仰俯角及びビーム幅を制御する。

本発明は、受信入力レベルが低下した場合でも通信断とならないように空中線結合損失を補正するので、システム規模の小型化を実現することができる。

本発明の最上位概念の実施形態による受信装置を説明するためのブロック図である。本発明の一実施形態による受信装置を説明するためのブロック図である。対流圏散乱伝搬方式による送受信を説明するための概観図である。特許文献１の受信装置のブロック図である。

本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の最上位概念の実施形態による受信装置を説明するためのブロック図である。図１の受信装置は、空中線３ａ、３ｂを備えた二重ダイバーシティ受信装置であり、空中線３ａ、３ｂの受信信号によってダイバーシティ受信を行う。

図１の受信装置は、空中線３ａ、３ｂ、適応整合フィルタ９ａ、９ｂ、合成回路１０、判定帰還型等化器１１、及び制御部１２を有する。適応整合フィルタ９ａ、９ｂは、マルチパスのエネルギーを合成する。合成回路１０は、ダイバーシティ合成する。判定帰還型等化器１１は、符号間干渉を除去する。

制御部１２は、空中線３ａ、３ｂからの受信信号を監視し、監視結果に応じて空中線３ａ、３ｂの駆動部４ａ、４ｂを制御する。この駆動により、空中線３ａ、３ｂの仰俯角及びビーム幅を制御する。制御部１２は、例えば、空中線３ａ、３ｂからの受信信号の受信入力レベルが低下した場合には空中線３ａ、３ｂのビーム幅を拡げるように駆動部４ａ、４ｂを制御する。また制御部１２は、空中線３ａ、３ｂからの受信信号の受信入力レベルが上昇した場合には空中線３ａ、３ｂのビーム幅を狭めるように駆動部４ａ、４ｂを制御する。

図１の受信装置によれば、空中線３ａ、３ｂの受信入力レベルが低下した場合でも通信断とならないように空中線結合損失を補正するので、システム規模の小型化を実現することができる。以下、本発明の好ましい実施形態についてより詳細に説明する。

〔好ましい実施形態〕
本発明の一実施形態による受信装置、及び受信方法について、説明する。図２は、本発明の一実施形態による受信装置を説明するためのブロック図である。図３は、対流圏散乱伝搬方式による送受信を説明するための概観図である。

（実施形態の構成）
図２の受信装置は、空中線３ａ及び３ｂを備えた二重ダイバーシティ受信装置であり、空中線３ａ及び３ｂの受信信号によってダイバーシティ受信を行う。本実施形態の受信装置は、ＢＰＦ（Band Pass Filter：帯域通過ろ波器）５ａ及び５ｂ、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier：低雑音増幅器）６ａ及び６ｂ、及びＤ／Ｃ（Down Converter：ダウンコンバータ）７ａ及び７ｂを備える。さらに本実施形態の受信装置は、ＡＧＣ（Automatic Gain Controller：自動利得制御器）８ａ及び８ｂ、ＡＭＦ（Adaptive Matched Filter：適応整合フィルタ）９ａ及び９ｂ、合成回路１０、及びＤＦＥ（Decision Feedback Equalizer：判定帰還型等化器）１１を備える。

さらに本実施形態の受信装置は、ＡＧＣ８ａ及び８ｂの出力、すなわちＡＧＣ後の受信入力レベル値を基に空中線３ａ及び３ｂの駆動部４ａ及び４ｂを制御するＣＯＮＴ（Controller：制御部）１２を備える。

ＢＰＦ５ａ及び５ｂは、空中線３ａ及び３ｂが受信した信号を帯域制限する。ＬＮＡ６ａ及び６ｂは、ＢＰＦ５ａ及び５ｂからの出力を増幅する。Ｄ／Ｃ７ａ及び７ｂは、ＬＮＡ６ａ及び６ｂの出力を周波数変換する。ＡＧＣ８ａ及び８ｂは、Ｄ／Ｃ７ａ及び７ｂの出力に対し受信入力レベルを制御する。ＡＭＦ９ａ及び９ｂは、各ブランチの受信信号に含まれる不要な信号を低減する。合成回路１０は、ＡＭＦ９ａ及び９ｂから入力された信号を、ダイバーシティ合成する。ＤＦＥ１１は、ダイバーシティ合成された信号に対する自動等化を行い、符号間干渉を除去しつつ受信信号を再生する。

そして本実施形態のＣＯＮＴ１２は、受信入力レベルのＲＭＳ（Root mean square）を計算し閾値と比較し、空中線３ａ及び３ｂの駆動部４ａ及び４ｂの駆動制御を行う。例えば、受信入力レベルのＲＭＳを計算し閾値と比較し、比較結果に基づいて空中線３ａ、３ｂの駆動制御を行う。

例えば、受信入力レベルのＲＭＳが低下した場合には、空中線３ａ及び３ｂのビーム幅を拡げるように制御し、受信入力レベルのＲＭＳが上昇した場合には、空中線３ａ及び３ｂのビーム幅を狭めるように制御する。空中線のビーム幅を拡げた場合、一般的に空中線利得が低下するため、結合損失と利得のトレードオフの演算処理も併せて実施し、駆動制御に反映させる。

空中線３ａ及び３ｂがパラボラアンテナの場合には、アンテナのホーンを前後に駆動することで、ビーム幅を制御することが可能である。ここで、アンテナのホーン駆動により焦点距離が変わり、利得低下が生じる可能性がある。そこで、ＣＯＮＴ１２による制御では、利得低下も考慮して、空中線結合損失の補正を行う。仰俯角はパラボラアンテナの場合、パラボラアンテナ自体を垂直駆動させる。

空中線３ａ及び３ｂがフェイズドアレイアンテナの場合には、仰俯角とビーム幅を制御することも可能である。

（実施形態の動作）
本実施形態の受信装置の動作、受信方法について、より具体的に説明する。図３に、対流圏散乱伝搬を利用した送受信の概観図を示す。送信局１００は受信局２００と見通し外の通信を行う。送信局１００から送信された送信ビームは、対流圏において散乱が生じる。散乱領域３００は散乱ボリュームと言われ空間的広がりを有し、散乱領域で屈折したビームを受信局２００で受信する。

通常、見通し内の通信では、空中線の面と面が向き合っているが、見通し外通信である散乱伝搬の場合は直接向き合っていないため、散乱領域の大きさにより影響を受け損失が増加する。これを、空中線結合損失という。空中線結合損失は、送受信空中線のビーム幅と仰俯角及び気象条件によって変化する。

空中線結合損失L_cは、次の数式で表される。

ここで、
L_ch：水平結合損失、L_cv：垂直結合損失
θ＝α＋β、θ：散乱角
θ_tm、θ_rm：送受信空中線の最適仰俯角
φ_th、φ_rh：送受信空中線の水平面ビーム幅（α_th、α_rh）×0.6
φ_tv、φ_rv：送受信空中線の垂直面ビーム幅（α_tv、α_rv）×0.6
K1：気象定数
である。

対流圏の大気が対流し、温度、湿度、気圧の変化により電波の屈折率が変化すると、空中線結合損失の上記数式の気象定数K1と最適仰俯角θ_tm、θ_rmが変化する。また、対流圏での散乱伝搬の状況が大きく変化し、年間を通じて10〜20dB変動する長周期フェージングが発生し、受信レベルが低下する。

受信局２００は受信入力レベルから演算処理を行い、空中線の仰俯角とビーム幅を適応的に制御する。これにより、空中線結合損失を補正し、長周期フェージングによるレベル低下を回避する。

受信入力レベルは、短周期フェージングにより毎秒変化する。このため、ＲＭＳ等を毎秒計算し、計算値が閾値と比較する。受信入力レベルのＲＭＳが閾値より低い場合は、駆動部４ａ及び４ｂから空中線３ａ及び３ｂの仰俯角をUP/DOWN制御し、計算値が閾値より高くなるように、制御する。また、同時もしくは並列で駆動部４ａ及び４ｂからビーム幅をWide/Narrow制御し、計算値が高くなるように制御する。

或いは、次のような制御も考えられる。すなわち、受信入力レベルを用いた計算値が、増加した場合は、回線断のリスクが減るので、無制御とする、もしくは、さらに計算値が上がるように、仰俯角のUP/DOWN制御、ビーム幅のWide/Narrow制御を行う。受信入力レベルを用いた計算値が減少し、閾値を下回る場合は、回線断のリスクが増えるため計算値が上昇するように仰俯角のUP/DOWN制御、ビーム幅のWide/Narrow制御を行う。

（実施形態の効果）
本実施形態の受信装置によれば、空中線結合損失を補正することにより、長周期フェージングによる受信入力レベルの低下を回避することができる。

その結果、本実施形態の受信装置を適用した受信局の規模をコンパクト化し、価格を大幅に低減することができる。例えば回線設計上、空中線口径が19m必要となる受信局があった場合を想定する。本実施形態による受信装置の損失補正により、仮にレベル低下を6dB改善できれば10mの空中線で回線構築可能となる。また、空中線口径を一定とした場合には、増幅器を2kWから0.5kWに小型化することも可能である。このように、本実施形態の受信装置によれば、受信局の規模をコンパクト化し、価格を大幅に低減することができる。

〔実施形態の拡張〕
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態の受信装置では、二重ダイバーシティ受信装置を説明した。しかしながら本発明はこれに限られるものではなく、四重、六重、八重のダイバーシティ受信装置にも、適用できる。また受信局から送信局へ制御信号を送ることにより、送信局側の空中線の仰俯角とビーム幅とを制御するように、構成することも考えられる。空中線がホーンアンテナである受信装置に限られず、空中線がフェイズドアレイアンテナである受信装置、これを用いた受信局でも実現できる。特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）複数の空中線の受信信号によってダイバーシティ受信を行う受信装置であって、
前記複数の空中線と、前記複数の空中線からの受信信号を監視し、監視結果に応じて前記複数の空中線の仰俯角及びビーム幅を制御する制御部とを有する、受信装置。
（付記２）前記制御部は、前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが低下した場合には前記複数の空中線のビーム幅を拡げるように制御する、付記１に記載の受信装置。
（付記３）前記制御部は、前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが上昇した場合には前記複数の空中線のビーム幅を狭めるように制御する、付記１又は付記２に記載の受信装置。
（付記４）前記制御部は、前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが上昇した場合には前記複数の空中線のビーム幅を変更しない無制御とする、付記１又は付記２に記載の受信装置。
（付記５）前記制御部は、前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルのＲＭＳ（Root mean square）を計算し、この計算結果を閾値と比較することにより上記ビーム幅に対する制御を行う、付記２乃至付記４のいずれか一項に記載の受信装置。
（付記６）マルチパスのエネルギーを合成する適応整合フィルタと、ダイバーシティ合成する合成回路と、符号間干渉を除去する等化器とを、さらに有する付記１乃至付記５のいずれか一項に記載の受信装置。
（付記７）複数の空中線の受信信号によってダイバーシティ受信を行う受信方法であって、
前記複数の空中線からの受信信号を監視し、監視結果に応じて前記複数の空中線の仰俯角及びビーム幅を制御する、受信方法。
（付記８）前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが低下した場合には前記複数の空中線のビーム幅を拡げるように制御する、付記７に記載の受信方法。
（付記９）前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが上昇した場合には前記複数の空中線のビーム幅を狭めるように制御する、付記７又は付記８に記載の受信方法。
（付記１０）前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが上昇した場合には前記複数の空中線のビーム幅を変更しない無制御とする、付記７又は付記８に記載の受信方法。
（付記１１）前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルのＲＭＳ（Root mean square）を計算し、この計算結果を閾値と比較することにより上記ビーム幅に対する制御を行う、付記７乃至付記１０のいずれか一項に記載の受信方法。

本発明の活用例として、対流圏散乱伝搬方式による通信や、見通し外通信への適用が考えられる。

３ａ、３ｂ空中線
４ａ、４ｂ駆動部
５ａ、５ｂＢＰＦ（帯域通過ろ波器）
６ａ、６ｂＬＮＡ（低雑音増幅器）
７ａ、７ｂＤ／Ｃ（ダウンコンバータ）
８ａ、８ｂＡＧＣ（自動利得制御器）
９ａ、９ｂＡＭＦ（適応整合フィルタ）
１０合成回路
１１ＤＦＥ（判定帰還型等化器）
１２ＣＯＮＴ（制御部）
１００送信局
２００受信局
３００散乱領域

Claims

複数の空中線の受信信号によってダイバーシティ受信を行う受信装置であって、
前記複数の空中線と、前記複数の空中線からの受信信号を監視し、監視結果に応じて前記複数の空中線の仰俯角及びビーム幅を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルのＲＭＳ（Root mean square）を計算し、前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが低下した場合には前記複数の空中線のビーム幅を拡げるように制御し、結合損失と空中線利得のトレードオフの演算処理も併せて実施して前記複数の空中線のビーム幅の制御に反映させる、受信装置。
前記制御部は、前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが上昇した場合には前記複数の空中線のビーム幅を狭めるように制御する、請求項１に記載の受信装置。
前記制御部は、前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが上昇した場合には前記複数の空中線のビーム幅を変更しない無制御とする、請求項１に記載の受信装置。
前記制御部は、前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルのＲＭＳの計算結果を閾値と比較することにより上記ビーム幅に対する制御を行う、請求項２又は請求項３に記載の受信装置。
マルチパスのエネルギーを合成する適応整合フィルタと、ダイバーシティ合成する合成回路と、符号間干渉を除去する等化器とを、さらに有する請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の受信装置。
複数の空中線の受信信号によってダイバーシティ受信を行う受信方法であって、
前記複数の空中線からの受信信号を監視し、監視結果に応じて前記複数の空中線の仰俯角及びビーム幅を制御するものであり、
前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルのＲＭＳ（Root mean square）を計算し、前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが低下した場合には前記複数の空中線のビーム幅を拡げるように制御し、結合損失と空中線利得のトレードオフの演算処理も併せて実施して前記複数の空中線のビーム幅の制御に反映させる、受信方法。
前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが上昇した場合には前記複数の空中線のビーム幅を狭めるように制御する、請求項６に記載の受信方法。
前記複数の空中線からの受信信号の受信入力レベルが上昇した場合には前記複数の空中線のビーム幅を変更しない無制御とする、請求項６に記載の受信方法。