JP2001007754A - 無線通信システム及び無線基地局 - Google Patents
無線通信システム及び無線基地局Info
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Abstract
基地局、あるいはアダプティブアレーアンテナを用いた
基地局と、一つあるいは複数の端末局から構成される無
線通信システムにおいて、基地局が形成すべき送信ビー
ムと実際に形成された送信ビームとのずれを簡易かつ迅
速に較正する方法を提供する。 【解決手段】 アダプティブアレーアンテナを用いた基
地局が複数の直交ビームを形成している場合、その基地
局のサービスエリア内で通信を行う一つあるいは複数の
端末局では、受信D/U比を測定して、その測定値を基地
局にフィードバックし、基地局では、各端末局から報知
されたD/U比測定値と、予め形成した送信直交ビームパ
ターンから算出されるD/U比予測値とのずれを検出し、
その誤差を最小化するように重み係数ベクトルを調整す
る。
Description
テナあるいはアダプティブアレーアンテナを用いた無線
基地局、および前記無線基地局と一つあるいは複数の端
末局から構成される無線通信システムに関する。
動通信は、その利便性、多機能性から需要は高まる一方
で、固定網を追い抜くような勢いで加入者の増加が進ん
でいる。
発的増加に伴って、特に大都市圏内におけるトラフィッ
ク集中によるチャネル不足、また積極的な周波数再利用
に起因する干渉による受信品質の劣化等が深刻になって
きている。
容量を増加させる技術が期待されており、逼迫する周波
数資源の有効利用や、インフラ構築の低コスト化、また
は既存インフラの有効利用など数多くの課題がある。
せる方法の一つとして、指向性をもつビームを形成する
ことが考えられる。例えば、基地局にセクタアンテナを
用いた場合、従来のほぼ円形のサービスエリア内を複数
の小さなエリアに空間的に分割することと等価であり、
基地局間の同一チャネル干渉量を無視できるとすると、
およそセクタ数倍の容量増加が見込める。
ると、サービスエリア内に存在する複数の端末局に対し
て、互いに空間的に直交するマルチビームを形成し、動
的に割り当てることによって、端末局の個々の位置やト
ラフィック分布に依存した緻密なチャネル再利用が可能
となる。
として、同一方向を除く任意の方向にいる干渉局に対し
て、積極的に受信信号を除去し、また送信時に干渉局方
向に指向性のヌルを向ける機能をもつアダプティブアレ
ーアンテナがある。
ビーム指向性による空間分割多重化が実現できる。基地
局において、伝播路の見通しが確保できない場合でも、
送受信信号の到来、放射する方向がわかれば同様な指向
性制御が可能である。
を述べる。
ンテナ素子を持つアレーアンテナでそれらの出力の位相
と振幅を制御して合成する信号処理方法であり、これに
よって、比較的レベルの大きい干渉波存在下において、
希望波の到来方向にビームを向け、また干渉波の到来方
向にヌルを向けるように動作する。受信信号の位相と振
幅を制御して合成することは、図7に示すように各アン
テナ素子出力を複素重み付けすることと等価である。
式1で与えられる。
ベクトル、複素受信信号ベクトルを表し、
予め定められた規範を満たすように制御される。最適な
重み係数ベクトルは、Wiener-Hopfの方程式
共役を表す。
大な計算量を必要とする為、実際には計算量の少ない逐
次更新型の適応アルゴリズムが適用されることが多い。
誤差を小さくするような重み制御を行うLMS(Least Mean
Square)アルゴリズム等が知られている。
パターンの例を図2に示す。モデルとして、一つの基地
局のサービスエリア内に、二つの端末局が存在し通信を
行っている場合を考える。
れぞれθ= -20°、80°であり、実線が端末局1に対する
ビームパターン、破線が端末局2に対するビームパター
ンを示す。
は端末局1を干渉局としたときの受信所望波電力対干渉
波電力比(D/U比)はそれぞれ以下の式で与えられる。
2のとおりであれば、(7)式、(8)式からそれぞれ
各下り回線の伝搬損失L1、L2を差し引いた値によって
端末局側での受信D/U比が予測できる。
指向性ビームを形成する基地局、あるいはアダプティブ
アレーアンテナを用いた基地局では、受信時に、アンテ
ナや高周波回路を通過することによって受信信号の振幅
や位相が素子毎のばらつきの影響を受けて変化してしま
うが、その歪みを受けた後の信号に対して重み付け制御
を行うことにより、純度の高い出力を得ることができ
る。
号処理あるいは低周波アナログ回路によって最適なビー
ムパターンを形成する重み付け制御を行ったとしても、
その後段に位置する高周波アナログ回路やアンテナの各
素子の位相や振幅のばらつきの影響を受け、結果的に送
信ビームが最適に形成されないという問題があった。
グ部品による通過位相変動、D/Aの量子化精度不足など
の理由により、図2のような理想的なビームを形成して
も、実際には図3のようにビーム方向およびヌル方向が
ずれることによりビーム直交性が崩れ、非所望端末局に
対して不要放射が生じ、各端末局での受信D/U比が共に
劣化する。
の予測値は以下の式で与えられる。
やアンテナの仕様を非常に厳しくするか、または基地局
として運用前に送信系の各素子で発生する振幅・位相の
誤差を検出して較正する方法や、運用後にビームのずれ
を補正する方法等が必要となる。
しくすると、設計も難しくなり、部品の製作コストがか
かるため限界がある。また、各素子間の誤差を検出して
較正する方法では、温度特性、雑音、外乱等による影響
から正確さに欠けるという問題がある。
になされたものであり、一つあるいは複数の指向性ビー
ムを形成する基地局、あるいはアダプティブアレーアン
テナを用いた基地局をもつ無線通信システムにおいて、
その基地局のサービスエリア内で通信を行う一つあるい
は複数の端末局では、受信D/U比を測定して、その測定
値を基地局にフィードバックし、基地局では、各端末局
から報知されたD/U比測定値と、予め形成した送信直交
ビームパターンから算出されるD/U比予測値とのずれを
検出し、その誤差を最小化するように重み係数ベクトル
を補正する手段を有する無線通信システムを提案するこ
とを目的とする。
本発明の無線通信システムは、少なくとも一つ以上のビ
ームを形成する無線基地局と、無線基地局と無線通信を
行う端末局とからなる無線通信システムにおいて、無線
基地局のサービスエリア内で通信を行う一少なくとも一
つ以上の端末局にて、無線基地局から端末局への下り回
線の所望波電力対干渉波電力比を測定する測定手段と、
所望波電力対干渉波電力比の測定値を、端末局から無線
基地局への上り回線を用いて報知するために、測定値を
送信信号系列に挿入する挿入手段とを備え、基地局に
て、端末局から報知された所望波電力対干渉波電力比の
測定値に基づいてビームを制御する制御手段と具備す
る。
ナログ回路やアンテナの仕様を厳しくする労力を伴わ
ず、かつ短時間で送信系の較正が可能となる。また本発
明は、受信側で良好な環境となるように受信状態の情報
をフィードバックしながらそれに応じて補正を行うた
め、送信側だけで調整する従来の較正方法に比べて、よ
り正確な較正が可能である。
基地局からの送信信号に形成する複数のビーム毎に異な
る既知の信号を挿入し、端末局にて信号を検知し、所望
波電力および干渉波電力および所望波電力対干渉波電力
比を算出することを特徴とする。
号との相関処理から所望信号成分を抽出することが可能
となり、また受信信号から抽出した所望信号成分を差し
引くことにより干渉信号電力も得られ、容易に受信D/U
比が計算できる。
御手段は、予め形成されているビームの指向性利得から
算出される少なくとも一つ以上の下り回線の受信所望波
電力対干渉波電力比の予測値と、実際に下り回線を経て
各端末局で測定された後に上り回線によって報知された
受信所望波電力対干渉波電力比の値とを比較し、各ビー
ムについてその差が最小になるように、送信重み係数ベ
クトルを制御することを特徴とする。
ィードバックするという信頼度の高い方法により、確実
できめ細かなビーム補正を行うことができる。
制御手段は、予め形成されているビームの指向性利得か
ら算出される少なくとも一つ以上の下り回線の受信所望
波電力対干渉波電力比の予測値と、実際に下り回線を経
て各端末局で算出された後に上り回線によって報知され
た受信所望波電力対干渉波電力比の測定値とを比較し、
各ビームについてその差が所定のしきい値以下になるよ
うに、送信重み係数ベクトルを制御することを特徴とす
る。
回線設計であるため、この誤差を最小化する調整方法を
実行するのにかかる処理時間を短縮することができる。
局は、上り回線の制御チャネルあるいは通話チャネルの
冗長部を用いて受信所望波電力対干渉波電力比の測定値
を毎送信時刻、及び又は所定の周期毎に送信することを
特徴とする。
レーム効率を劣化させることなく、較正に必要な受信D/
U比測定値を上り回線で伝達することができる。
ビスエリア内で通信を行う少なくとも一つ以上の端末局
から報知された、基地局から端末局への下り回線の所望
波電力対干渉波電力比の測定値に基づいてビームを制御
する制御手段とを具備する。
施形態を説明する。
ステムの端末局および基地局の構成例を示す。まず、端
末局に関しては、アンテナ101の後段に位置するデュプ
レクサ102によって送受信を切り替え、受信機103から復
調部104→信号識別部105を経て受信信号を得る。
て、所望信号電力および受信信号からそれを差し引いた
雑音を含む干渉成分電力を計算し、その電力比を測定す
る。
測定値を挿入して、送信機108から送信される。
13で受信した信号は、その後段に位置するデュプレクサ
114〜116によって送受信を切り替え、受信機117〜119を
経てアダプティブアレー処理部に入力される。
数ベクトル計算部125、乗算器120〜122および加算器123
から成り、その出力は信号識別部124で判定され、上り
回線信号を得る。
線分(N個)あり、独立に直交ビームを形成する。算出さ
れた受信時の重み係数ベクトルは、それぞれメモリ127
に蓄えられる。
に、上り回線信号バーストに挿入された端末局の受信D/
U比測定値を検出部126にて抽出し、その測定値もメモリ
127に記憶する。
にて、メモリに格納された各上り回線毎の受信時の重み
係数ベクトル、およびD/U測定値を用いて、予め形成し
た送信ビームで予測されるD/U比との差を検出し、送信
重み係数ベクトルを調整する。
号入力を各アレー素子に分配する分配器129と、補正さ
れた送信重み係数ベクトルを乗積する乗算器130〜132か
ら成り、N個の各下り回線信号入力に対して独立に直交
ビームを形成し、送信機133〜135を経て送信される。
受信機117〜119を通過した後、アナログ信号による処理
でも可能であり、また受信機117〜119にA/D変換器を含
むと仮定してディジタル信号処理としてもよい。
チャートを参照して説明する。
重み係数ベクトルWo,Nを定め(ステップ11)、重み係数ベ
クトルの調整のために以下の手順をM回試行する(ステッ
プ13)。
以外は基地局での操作である。基地局にて指向性ビーム
を形成して送信した後(ステップ14)、端末局にて信号を
受信、検波する(ステップ15)。
処理の後、受信D/U比を測定する(ステップ16)。
基地局において、形成する複数のビーム毎に異なる既知
の参照信号系列を予め挿入し、各端末局では、前記参照
信号系列を検知し、所望波電力および干渉波電力を算出
することによって、受信D/U比を推定する方法などがあ
る。
において受信信号と参照信号との相関をとる。これによ
って、干渉信号が除去されて残った所望信号の複素遅延
プロファイルh(τ;t)が抽出される。それを2乗器202で2
乗加算することにより受信信号中の所望信号電力Dが求
まる。
ロファイルh(τ;t)と送信系列(参照信号)との畳み込み
により受信信号のレプリカγ'を作成する。このとき、
受信信号に含まれる雑音及び干渉信号成分は受信信号γ
とレプリカγ'との差であるので、加算器204にて差信号
γ-γ'を求め、さらに2乗器205にて2乗加算することに
より、干渉信号電力Uを得る。
する符号ビット系列を用いるのが望ましく、これによっ
て遅延プロファイルを求めるための相関処理後に干渉信
号を強く抑圧できる。
望信号の含まれない信号を送信し、端末局でその受信信
号電力から干渉信号電力Uを推定することもできる。
ォーマットにおいて、情報信号とは無関係な冗長ビット
系列が存在する。例えば、端末局を認識したり、同期や
復調に用いられるプリアンブルやユニークワードに相当
する。
基地局に送信する際、端末局において、このような上り
回線の通話チャネルの冗長部に、受信D/U比の測定値を
挿入して、毎送信時刻、あるいは所定の周期毎に送信す
る(ステップ17)。
測定値が送信される時刻は既知であり、またフレーム内
で受信D/U比測定値の情報が含まれる位置と符号化方法
も予め決められているので容易に検出することができる
(ステップ18)。
レーム効率を劣化させることなく、較正に必要な受信D/
U比測定値を上り回線で伝達することができる。
通話チャネルの代わりに、上り回線の制御チャネルを用
いてもよい。これも上記と同様に制御チャネルにおける
冗長部を使うのが望ましい。
入する際の符号化によっては、ビット数が大きくなるこ
ともありうるので、そのような場合には、一つ前の時刻
に送信した受信D/U比測定値との差分情報だけを符号化
して送信することによって、要するビット数を減らすこ
とができる。
重み係数ベクトルWi,Nをメモリに格納した後(ステップ1
9)、先にメモリに蓄えられていた初期重み係数ベクトル
の位相と振幅をずらして(ステップ20)、新しい重み係数
ベクトルWi+1,Nを得る(ステップ21)。
信ビームを形成し、試行を繰り返す。上記の重み係数調
整が与えられた試行回数$M$だけ繰り返された後(ステッ
プ13)、メモリに蓄えられたすべての受信D/U比測定値を
参照して、理想送信ビームパターンを形成したときのD/
U比予測値と最も近い値となる重み係数ベクトルを選び
(ステップ23)、較正後出力Woutとする(ステップ24)。
て説明する。
れている送信ビームの指向性利得から予測されるすべて
の下り回線の受信D/U比の値と、実際に下り回線を経て
各端末局で算出された後に上り回線によって報知された
すべての端末局の受信D/U比の値とを比較し、その差が
最小になるように、送信重み係数ベクトルを調整する。
に、初期重み係数ベクトルの位相および振幅を決められ
た幅Δθ、Δpだけ変化させて、重み係数ベクトルを更
新し、その度に各端末局で受信D/U比の測定を行う。
ら、重み係数ベクトルの位相/振幅変化に対する指向性
パターン変化の傾向を知ることができる。最後に、メモ
リに蓄えられたすべての重み係数ベクトル群の中から、
最適な重み係数ベクトルを選択する。
は、このMは次式で与えられるサンプル数が必要であ
る。
えるとその計算量は指数関数的に増大し現実的ではなく
なってくる。端末数が多数存在して多くの直交ビームを
形成する場合、それを補える自由度を必要とする場合に
はアレー素子数を増やさざるを得ないので、同様な問題
が生じる。
小にするような最適重み係数を求めることが困難なこと
がしばしばあるので、マージンを含んだ回線設計から、
予測D/U比より条件の緩い所望D/U比Pj (j= 1、
2、.....、N)をビーム毎に定め、受信D/U比がしきい値P
j以下になるように送信重み係数ベクトルを調整するこ
とが効果的である。
は複数組存在することがあるので、その中から適当なも
のを選択すればよい。
較正方法のフローチャートを示す。
基地局において検出したD/U比測定値がすべてのしきい
値Pj以上であれば(ステップ37)、その時点で較正を終了
する(ステップ41)という特徴をもつ。
すべての場合を試行せずに解を求めることができ、計算
量の削減および較正にかかる時間の短縮を図ることがで
きる。
により、アダプティブアレーアンテナや複数の指向性ビ
ームを形成する基地局において、従来技術では困難を伴
うと予想される送信系のキャリブレーションを、安価で
簡易かつ正確に行うことができる、という効果が生じ
る。
対しての処理であり、複数のビームを形成するためには
複数のCPUを用いて並列処理する必要がある。しかし、
数少ない高速のCPU等を用いる場合には、ビーム形成お
よび較正に関して時分割処理を行っても効果は変わらな
い。
レーアンテナを適用し、複数の端末局に直交ビームを形
成する場合を考えてきたが、本発明は、単にアレーアン
テナを用いた基地局で、ヌル制御を行わない複数の指向
性ビームを形成する場合にも適用可能である。
し、単にビームの指向性利得を向上させる場合にも適用
可能である。このとき、端末局がフィードバックするD/
U比はC/N(搬送波電力対雑音電力比)と等価になる。
末局の位置する方向と一致するパターンとなり、C/Nは
最大となる。
システムについて説明する。
ーンの誤差を推定するために、擬似端末局を用いるのが
特徴である。
の位置を指定して移動または停止させることのできる端
末であり、基地局からの距離を一定にして電波の距離減
衰を各端末でそろえたり、すべての端末の方向を予め定
めているので初期送信ビームパターンを簡単に最適化す
るのに効果がある。
ため、フレーム効率にとらわれずに長い参照信号系列を
送信でき、D/U比の推定精度を向上させることができ
る。
では、擬似端末局の位置は基地局では既知であるので、
複数の擬似端末局を用いると、試行回数が少なくなるよ
うに端末局の位置をその都度指定することにより、所望
の送信ビームを短時間で較正することが可能となる、と
いう効果が期待できる。
を精度良く近似できるので、基地局からの送信ビームか
ら予測できる各端末局での受信D/U比をより正確に推定
することが可能となる。
た通信方式に限定した場合、送受信に同一周波数を用い
るため、送受の間隔が非常に短ければ受信時と送信時の
電波環境には高い相関がある。
最もD/U比が高くなる受信アンテナパターンを形成する
重み係数ベクトルを記憶しておき、送信時にもこの同じ
重み係数ベクトルを使用することでD/U比の高い理想的
な初期ビームパターンが得られる。
ーポイントのサービスとして、ワイヤレス・ローカル・
ループ(WLL)と呼ばれる加入者無線通信システムが注目
されており、導入に向けて検討が進められている。
を提供するサービスであるが、有線システムに比べてイ
ンフラを容易かつ安価に構築できる利点をもつ。本発明
は、端末局が移動端末とは限らず、WLLのように半固定
配置の端末を用いた無線インフラにも適用することもで
きる。
方向は、ある程度の精度で推定可能であるため、擬似端
末を用いた遠隔操作較正法を適用しなくても最適送信ビ
ームパターンを決定できるという効果がある。
システムでは、複数の指向性ビームを形成する基地局、
あるいはアダプティブアレーアンテナを用いた基地局に
おいて、従来技術では困難を伴う厳しい仕様設計や較正
方法に比べて、形成すべき送信ビームと実際に形成され
た送信ビームのずれを簡易かつ短時間で較正することが
できる。
成を示す図。
図。
す図。
Claims (8)
- 【請求項1】少なくとも一つ以上のビームを形成する無
線基地局と、 前記無線基地局と無線通信を行う端末局とからなる無線
通信システムにおいて、 前記無線基地局のサービスエリア内で通信を行う一少な
くとも一つ以上の端末局にて、 前記無線基地局から端末局への下り回線の所望波電力対
干渉波電力比を測定する測定手段と、 前記所望波電力対干渉波電力比の測定値を、前記端末局
から前記無線基地局への上り回線を用いて報知するため
に、前記測定値を送信信号系列に挿入する挿入手段とを
備え、 前記基地局にて、 前記端末局から報知された前記所望波電力対干渉波電力
比の測定値に基づいて前記ビームを制御する制御手段と
具備したことを特徴とする無線通信システム。 - 【請求項2】前記ビームは、複数のアンテナ素子により
構成されるアレーアンテナにより形成され、 前記制御手段は、前記各アンテナ素子毎の重み係数ベク
トルを変える手段をさらに具備することを特徴とする請
求項1記載の無線通信システム。 - 【請求項3】前記無線基地局からの送信信号に形成する
複数のビーム毎に異なる既知の信号を挿入し、 前記端末局にて、 前記信号を検知し、所望波電力および干渉波電力および
所望波電力対干渉波電力比を算出することを特徴とする
請求項1記載の無線通信システム。 - 【請求項4】前記制御手段は、予め形成されているビー
ムの指向性利得から算出される少なくとも一つ以上の下
り回線の受信所望波電力対干渉波電力比の予測値と、実
際に下り回線を経て各端末局で測定された後に上り回線
によって報知された受信所望波電力対干渉波電力比の値
とを比較し、前記各ビームについてその差が最小になる
ように、送信重み係数ベクトルを制御することを特徴と
する請求項1記載の無線通信システム。 - 【請求項5】前記制御手段は、予め形成されているビー
ムの指向性利得から算出される少なくとも一つ以上の下
り回線の受信所望波電力対干渉波電力比の予測値と、実
際に下り回線を経て各端末局で算出された後に上り回線
によって報知された受信所望波電力対干渉波電力比の測
定値とを比較し、前記各ビームについてその差が所定の
しきい値以下になるように、送信重み係数ベクトルを制
御することを特徴とする請求項1記載の無線通信システ
ム。 - 【請求項6】前記端末局は、上り回線の制御チャネルあ
るいは通話チャネルの冗長部を用いて受信所望波電力対
干渉波電力比の測定値を毎送信時刻、及び又は所定の周
期毎に送信することを特徴とする請求項1記載の無線通
信システム。 - 【請求項7】少なくとも一つ以上のビームを形成する無
線基地局において、 前記基地局のサービスエリア内で通信を行う少なくとも
一つ以上の端末局から報知された、基地局から端末局へ
の下り回線の所望波電力対干渉波電力比の測定値に基づ
いて前記ビームを制御する制御手段とを具備したことを
特徴とする無線基地局。 - 【請求項8】前記ビームは、複数のアンテナ素子により
構成されるアレーアンテナにより形成され、 前記制御手段は、前記各アンテナ素子毎の重み係数ベク
トルを変える手段をさらに具備することを特徴とする請
求項7記載の無線基地局。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP17503099A JP3431542B2 (ja) | 1999-06-22 | 1999-06-22 | 無線基地局 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17503099A JP3431542B2 (ja) | 1999-06-22 | 1999-06-22 | 無線基地局 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2001007754A true JP2001007754A (ja) | 2001-01-12 |
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ID=15989001
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