JP2001094332A

JP2001094332A - 無線通信システム

Info

Publication number: JP2001094332A
Application number: JP26910799A
Authority: JP
Inventors: Kisho Odate; 紀章大舘; Hidehiro Matsuoka; 秀浩松岡; Ichiro Seto; 一郎瀬戸; Yasushi Murakami; 康村上; Osamu Shibata; 治柴田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2001-04-06

Abstract

(57)【要約】【課題】可変指向性アンテナ各素子の信号の相対的な
位相差を維持すること。【解決手段】可変指向性アンテナの各素子の信号を時
分割多重装置４で時分割多重し、同一の光ファイバー内
を伝送する事で、アンテナ５各素子の相対位相差を維持
することができる。また、パイロット信号を同時に時分
割多重する事で、送信側と受信側のタイミング同期を確
立することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、制御局と、前記制
御局と有線で結ばれた一つあるいは複数の基地局とから
なり、前記基地局と端末局が無線通信する無線通信シス
テムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】基地局と端末局からなる無線通信におい
て、基地局では、マルチパスフェージング対策、干渉抑
圧対策のために、可変指向性アンテナが用いられてい
る。可変指向性アンテナとは、基地局でアレイアンテナ
を用い、各素子の信号に複素（振幅、位相）の重みづけ
を行い、アレイアンテナの放射パターンを制御するもの
である。

【０００３】近年、基地局を低コスト化するために、複
数の基地局を１ヶ所の制御局で集中的に制御・運営する
無線通信システムが盛んに研究されている。この場合、
制御局と複数の基地局を結ぶ回線としては、有線の光フ
ァイバを用いることが有効である。光ファイバは、損失
が非常に少なく、伝送情報量を非常に大きくすることが
できるために、将来的に情報伝送量が多くなった場合で
も、回線の引き直しなどの手間が省け、将来的に有望な
方法である。

【０００４】上述の無線通信システムでは、制御局のみ
に可指向性アンテナに対する重みづけ装置、信号変調装
置、信号復調装置などの無線通信を行う上で必要な構成
装置を持たせ、制御局で無線通信の大部分の処理を行う
事ができる。この場合、基地局に必要な装置は非常に少
なくなり、基地局の低コスト化をすることができる。そ
の結果、基地局の再配置が容易となり、端末数の増加に
対する反応をすばやく行える事ができ、無線通信を行う
上で有効な手法である。

【０００５】しかしながら、上述のように、光ファイバ
ーで制御局と基地局を接続し、基地局に設置された可変
指向性アンテナを制御しようとすると、可変指向性アン
テナの指向性を所望の通りに変化させることができない
といった問題点がある。これは、制御局で設定した可変
指向性アンテナの各素子の信号の相対位相が光ファイバ
ーを伝送している間に変化してしまう事によるものであ
る。この理由に関して以下に詳しく説明する。

【０００６】上述の無線通信システムを実現する場合
に、図１１に示すように可変指向性アンテナ５の各素子
に一本の光ファイバー２５を割り当てる方法である。し
かしながらこの方法では、光ファイバー２５の長さが異
なったり、光ファイバー２５の周囲の温度変化による影
響で、異なった光ファイバー間を伝送する間に各素子の
位相変化量がそれぞれ異なり、制御局１で設定した重み
づけ７による各素子間の信号の相対位相が変化し、可変
指向性アンテナとして適切な重みづけを行うことができ
ない問題がある。

【０００７】また他の方法も可能である。図１２に示す
ように、可変指向性アンテナ５各素子の信号をそれぞれ
異なる波長の光で強度変調して１本の光ファイバー２５
の中を伝送させる方法である。しかしこの方法でも、伝
送する波長によって光ファイバーを伝送する間の位相回
転量がことなり、制御局１で設定した重みづけ７による
各素子間の相対位相が変化してしまう問題がある。

【０００８】さらに、他の方法も従来技術で可能であ
る。図１３に示すように、可変指向性アンテナ５各素子
の信号をそれぞれ異なる周波数へ周波数変換装置１３に
よって変換する。そして、それらを合成し、ひとつの光
の波長で強度変調し、一つの光ファイバー２５内を伝送
させる方法である。この場合には、光ファイバー２５内
を伝達する間は各素子の信号間の相対的な位相差は維持
されるが、制御局１で周波数変換された信号を基地局２
で再び元の周波数へ変換する必要がある。このときに、
基地局における周波数変換装置の複数の周波数間の位相
差と、制御局における周波数変換装置の複数の周波数間
の位相差が同一でない場合には、基地局２における可変
指向性アンテナ５の各素子の信号の位相差と、制御局１
における可変指向性アンテナ５の各素子の信号の位相が
同一ではなく、問題となる。つまり、この方法では、周
波数変換装置１３に問題がある。

【０００９】以上説明したように、従来技術を用いて制
御局１と基地局２を光ファイバ２５で接続し、基地局２
の可変指向性アンテナ５の指向性を適切に制御しようと
しても、光ファイバ２５内を信号が伝送する間に可変指
向性アンテナの各素子に設定した重みづけによる相対位
相差が変化してしまい実現することができない。また、
光ファイバ２５内での相対位相差の変化が無い状態でも
伝送する事ができるが、周波数変換を行うときに相対位
相差が変化してしまう問題があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
制御局と、一つあるいは複数の基地局を光ファイバーで
接続し、基地局の可変指向性アンテナの各素子の信号を
制御局へ光ファイバーを用いて伝送する無線通信システ
ムにおいて、制御局で設定を行った重みづけによる各素
子間の信号の相対位相が制御局から基地局へ伝送する間
に変化してしまい、可変指向性アンテナの指向性を適切
に制御できないといった問題点があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】基地局における可変指向
性アンテナの各素子の信号を光ファイバを用いて制御局
へ伝送するときに、可変指向性アンテナ各素子の信号を
時分割多重し、時分割多重された信号を同一の光ファイ
バ内を伝送させる事で、光ファイバ内を伝送する間に生
じるアンテナ各素子間の相対位相の変化をなくすことが
できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を参照しながら説明する。図１は本発明に係わる基地
局１と端末局２が通信をする無線通信に関する無線通信
システムの外略図を示す。制御局１と、複数の基地局２
と、制御局１と複数の基地局２を有線で接続する光ファ
イバ２５と、基地局１と通信をする端末局３から構成さ
れるシステムである。基地局のアンテナは可変指向性ア
ンテナ５であり、アンテナ各素子の各々の信号に重みづ
けをすることで指向性を可変することができる。その結
果の１例として、図１に示すように、他の基地局と通信
を行っている端末局の方向にビームパターンのヌルを形
成することができる。

【００１３】信号は基地局２と制御局１を接続する有線
の光ファイバ２５により伝送される、可変指向性アンテ
ナ５の各素子の信号は、一本の光ファイバ内を伝送す
る。このときに、各素子の信号は、図２に示すように、
時分割多重装置４により、時分割されて光ファイバーを
伝送する。また、この時に用いる光強度変調は同一の波
長の光を用いることができるので、つまり、光／電気変
換装置６は一つあれば十分なのでコスト低減をすること
ができる。

【００１４】時分割で伝送する場合には、一本の光ファ
イバー内をアンテナ各素子の信号が時分割で伝送し、こ
れらは同じ波長の光で変調されているので、分割された
各素子の信号は、全て同じ位相変化量で伝送することに
なる。その結果、制御局１で設定した可変指向性アンテ
ナ５の各素子の相対的な位相関係は維持される事とな
り、問題を解決する事ができる。

【００１５】時分割多重装置４の構成を図３に示す。図
３では、制御局１から基地局２へ信号が伝送する場合の
構成である。

【００１６】時分割多重装置４は、アンテナ素子選択ス
イッチ１２によって構成することができる。アンテナ素
子選択スイッチ１２は、可変指向性アンテナ５の各素子
を順番に選択するものであればよい。また、スイッチン
グスピードは、アンテナ各素子を伝送する信号の搬送波
の周期に対して十分短いものとすればよい。

【００１７】時分割多重された波形を元のアナログ波形
に復元するには、適切な低域通過フィルター９を用いれ
ば実現することができる。

【００１８】図３に示した時分割多重装置４を用いた場
合のアンテナ各素子の信号波形の変化を図８に示す。図
８では説明しやすいようにアンテナ素子数を３とした場
合で記してある。また、信号が制御局１から基地局２へ
向かう場合で記してある。

【００１９】制御局１で生成されたアンテナ各素子に伝
送したい信号波形１９は、制御局のアンテナ選択スイッ
チ１２で時分割多重される。この時の波形２０は、時間
軸上でアンテナ各素子の信号が順番に並んでいるものと
なる。この、時分割多重された波形２０を光変調し、光
ファイバ２５を通して伝送する。

【００２０】基地局側では、光／電気変換器６により光
信号を電気信号へ変換する。このときの信号は時分割さ
れた波形と同じものとなる。そしてこの信号波形をアン
テナ選択スイッチ１２で３つに分割する。

【００２１】分割された信号２１は、時間軸上で連続信
号とはならず、伝送したい波形とは異なっている。そこ
で、この分割された波形を低域通過フィルター９に通す
ことで、伝送したい波形と同じ波形２２が復元される。

【００２２】このとき、制御局１で３ヶの信号が時分割
で多重され、光ファイバ２５を通過し、再び分離されて
いるが、３種類の信号は一本の光ファイバを通過してい
るので、３種類の信号の位相変化量は同じであり、制御
局で設定した重みづけによる各信号間の位相差は変化し
ない事となる。

【００２３】また、伝送したい周波数が光ファイバ２５
の許容限界周波数よりも高く、一旦周波数変換を行って
光ファイバ内を伝送させたい場合もある。この時には、
図９に示すように、制御局側で周波数変換をする信号源
１３は各アンテナ素子の信号に対して同じとすることが
できるために、周波数変換をするときに生じる位相変化
は全ての素子で同じであり、問題とならない。

【００２４】同様に、基地局側でも、周波数変換をする
時の信号源１３は全てのアンテナ素子の信号に対して同
一のものを用いることができるので、ここでの周波数変
換の時に生じる位相変化量は全ての素子で同じであり、
問題とならない。

【００２５】上述のように、本発明の実施例によれば、
制御局から基地局へアンテナ各素子の信号が伝送する間
に、各素子間の相対的な位相が変化しないので、基地局
における可変指向性アンテナのパターンを任意に形成す
ることができる。その結果、アンテナ特性として利得を
高くすることができたり、他セルからの干渉波を除去す
るなど、基地局のエリア内の加入者数を増加する事がで
きる。

【００２６】また、本発明の実施例によれば、キャリブ
レーションを必要としない構成にできる。ここでのキャ
リブレーションとは、従来例で問題となっていた各信号
間でそれぞれ異なる位相変化量を補正することを意味し
ている。キャリブレーション装置を必要としないので、
制御局１、基地局２ともに、装置は簡単化する事がで
き、低コスト化を実現することができる。

【００２７】本発明の第２の実施例を図面を参照しなが
ら説明する。第２の実施例は時分割多重装置４の別の実
施例である。図４は、時分割多重装置４の構成を示して
いるものである。なお、制御局１から基地局２へ信号が
伝送する場合である。

【００２８】可変指向性アンテナ各素子のアナログ波形
を帯域サンプリング装置１０によって帯域サンプリング
を行い、標本化波形に変換する。そして、各標本化波形
をサンプリングレートのアンテナ素子数倍以上でアンテ
ナ選択スイッチ１２でスイッチングをするものである。

【００２９】サンプリングレートは、サンプリング定理
によって求めることができる。サンプリング定理とは、
信号スペクトルに含まれる最高周波数の２倍以上でサン
プリングすれば元の波形を完全に表すことができるとい
うものである。以上のように、時分割多重装置が構成さ
れる。

【００３０】また、図５に示すように、無線周波数を周
波数変換装置１１で一旦低い周波数へダウンコンバート
すれば、サンプリングレートは低くなるので、アンテナ
選択スイッチ１２の切り替え速度を遅くする事ができ、
安価な装置で実現できる。この時には、周波数変換装置
１１に用いる信号源１３は同一のものとすることができ
るので、アンテナ各素子間の相対的な位相は維持された
ままとなるので、問題は生じない。

【００３１】さらに、制御局１において、ベースバンド
など低い周波数でサンプリングを行うことで、サンプリ
ングレートをより低くすることができる。そして、この
サンプリングされた信号を自分割多重し、光ファイバで
伝送し、基地局２において無線周波数に周波数変換を行
う構成でもかまわない。

【００３２】以上のように、本発明の実施例によれば、
アンテナ各素子の信号を時分割多重装置４によって時分
割多重するときのサンプリングレートを低くすることが
できるので、アンテナ選択スイッチ１２の切り替え速度
を遅くすることができる。その結果、安価なアンテナ選
択スイッチ１２を用いる事ができ、コストの削減に大い
に貢献することになる。

【００３３】本発明の第３の実施例を図面を参照しなが
ら説明する。図６は、時分割多重をデジタル信号に対し
て行う場合の時分割多重装置の構成を示しているもので
ある。

【００３４】制御局１において、可変指向性アンテナ５
の各素子の信号はデジタル信号処理回路１４によって生
成される。そして、このデジタル信号は、デジタル時分
割多重装置１５よって時分割多重される。

【００３５】時分割多重された信号は、光ファイバを通
過して基地局２のデジタル時分割多重装置によって、ア
ンテナ各素子毎に分離される。そして、各素子のデジタ
ル信号はデジタル／アナログ変換装置１６でアナログ波
形に変換される。さらに、周波数変換装置１１によっ
て、無線周波数へ変換されアンテナから放射される構成
となる。

【００３６】この時、光ファイバに最低限必要な帯域
は、可変指向性アンテナの各素子のデジタル信号の帯域
Ｍｂｐｓと、アンテナ素子数Ｎから決定され、Ｎ×Ｍｂ
ｐｓとなる。このようにしておけば、時分割多重された
場合でも、元の情報を復元することができる。

【００３７】以上のように本発明の実施例によれば、制
御局ではデジタル処理のみを行えばよいので、小型化、
集積化が可能となり、コストの削減に貢献する。また、
デジタル信号を用いているので、伝送中に付加されるノ
イズに対する変化をアナログ信号よりも抑える事ができ
るので、精度が高くできる。その結果、可変指向性アン
テナ５の指向性をより精密に制御することが可能とな
り、他セルからの干渉波の抑圧効果がより一層たかま
り、基地局２の加入者容量を大きくすることができる。

【００３８】本発明の第４の実施例を図面を参照しなが
ら説明する。図７は制御局１と基地局２の間の時分割多
重のタイミング同期を確立することができる時分割多重
装置の構成を示しているものである。なお、信号は制御
局１から基地局２へ伝送される場合である。

【００３９】時分割多重で情報を伝送する場合には、送
信側と受信側のタイミング同期を確立することが必要と
なる場合がある。タイミング同期が確立されていない場
合には、制御局１でアンテナ素子の１番目に信号を送ろ
うとした場合に、基地局側では、アンテナ素子の１番目
ではなく他の素子へ伝送してしまう可能性がある。この
ような現象がおきると、可変指向性アンテナ５の指向性
が設定通りに変化せず、通信がスムーズに行われなくな
る危険がある。

【００４０】そこで、制御局（送信側）にパイロット信
号発生器１７を具備している。そして、可変指向性アン
テナ５の各素子の信号に加えて、パイロット信号も時分
割多重で伝送される。

【００４１】基地局（受信側）では、パイロット信号検
出器１８を具備し、パイロット信号にしたがって制御局
１と基地局２の間の時分割多重のタイミング同期を確立
する。そして、この結果に基づいて時分割多重装置４の
制御を行うものである。

【００４２】パイロット信号検出器の動作は以下のよう
にすることができる。たとえば、パイロット信号として
振幅Ａの定包絡信号とする。パイロット信号検出装置１
８では、時分割周期で数周期分信号を観測し、その平均
値が最もＡに近いものをパイロット信号と判定する。そ
して、時分割多重装置４との同期を取る。

【００４３】送信側と受信側で、あらかじめパイロット
信号を含めたアンテナ各素子の信号の伝送順序を決めて
おけば、パイロット信号を検出する事で時分割多重のタ
イミング同期を確立する事が可能である。

【００４４】以上のように本発明の実施例によれば、ア
ンテナ各素子の信号に加えてパイロット信号も時分割多
重で伝送する事で、制御局１と、基地局２のタイミング
同期を確立することがかできる。その結果、可変指向性
アンテナ５の指向性を設定通りに変えることができ、良
好な通信を行う事が可能となる。

【００４５】本発明のこれまでの実施例では、信号は制
御局１から基地局２へ伝送される場合の実施例であっ
た。しかしながら同様に、基地局２から制御局１へ信号
が伝送される場合も同様に実現することができる。な
お、この場合には、基地局２のアンテナ各素子に入って
くる信号はフェージングの影響をうけそれぞれ異なって
いる場合が多い。そのために、基地局２での信号を正確
に制御局に伝送する必要があり、本発明を用いる効果が
大きい。

【００４６】信号が基地局２から制御局１へ伝送する場
合の構成は、先に示した図２に示した構成で実現するこ
とができる。この場合には、基地局２において各素子の
信号を電気信号から光信号へ変換し、制御局１において
電気信号を光信号へ変換することが異なるだけである。

【００４７】また、基地局２から制御局１へ信号が伝送
する場合には、制御局１でアナログ信号を扱う必要はな
く、デジタル信合処理回路１４でデジタルビームフォー
ミング処理を行う事ができる。これを図１０に示す。

【００４８】この場合には、制御局１でのデジタル信号
処理回路１４とデジタル時分割多重装置１５をひとつに
集積化する事も可能なので、コストの削減に多いに貢献
することができる。

【００４９】上述のように、本発明では、制御局１から
基地局２へ信号が伝送する場合も、基地局２から制御局
１へ信号が伝送する場合にも適用することができる。つ
まり、双方向通信をおこなう無線通信システムにおいて
も、本発明を適用することができる。

【００５０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、制御局
と、複数の基地局を光ファイバーで接続し、基地局にお
いて用いる可変指向性アンテナの各素子の信号をそのま
ま制御局へ光ファイバーを用いて伝送する無線通信シス
テムにおいて、可変指向性アンテナ各素子の信号の相対
的な位相差が維持されない問題を解決することができ
る。

【００５１】その結果、基地局における可変指向性アン
テナの指向性を正確に制御する事が可能である。また、
光送受信機は一対ですむためにコストを削減できる利点
がある。さらに、基地局は小型化することができるの
で、基地局の増設にかかる費用を削減する事もできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係わる無線通信シス
テムの外略図を示す図。

【図２】本発明の第１の実施形態に係わる無線通信シス
テムを示す図。

【図３】本発明の第１の実施形態に係わる時分割多重装
置を示す図。

【図４】本発明の第２の実施形態に係わる時分割多重装
置を示す図。

【図５】本発明の第２の実施形態に係わる時分割多重装
置を示す図。

【図６】本発明の第３の実施形態に係わる時分割多重装
置を示す図。

【図７】本発明の第４の実施形態に係わる時分割多重装
置を示す図。

【図８】本発明の第１の実施形態に係わる信号波形の変
化を表す図。

【図９】本発明の第１の実施形態に係わる時分割多重装
置を示す図。

【図１０】本発明の実施形態に係わる信号が基地局から
制御局へ伝送される場合の実施例を示す図。

【図１１】従来例を示す図。

【図１２】従来例を示す図。

【図１３】従来例を示す図。

【符号の説明】

１…制御局２…基地局３…端末局４…時分割多重装置５…アンテナ６…光／電気変換装置７…重みづけ演算回路８…送受信装置９…低域通過フィルタ１０…帯域サンプリング装置１１…周波数変換装置１２…アンテナ選択スイッチ１３…信号源１４…デジタル信号処理回路１５…デジタル時分割多重装置１６…デジタル／アナログ変換装置１７…パイロット信号発生装置１８…パイロット信号検出装置１９…伝送したい波形２０…時分割多重された波形２１…分割された波形２２…復元された波形２３…・信号合成装置２４…信号分配装置２５…光ファイバ２６…到来波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者瀬戸一郎神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者村上康神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者柴田治神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA06 CA06 DB01 DB04 EA04 FA17 FA20 FA26 FA31 FA32 GA08 HA05 HA10 JA07 5K002 DA03 DA05 DA42 FA01 GA04 5K067 AA33 AA42 CC04 CC24 DD27 DD57 EE10 EE16 EE37 HH21 KK03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御局と、前記制御局と通信媒体で結ば
れた一つあるいは複数の基地局とから構成され、前記基
地局と端末局が無線通信をする無線通信システムにおい
て、前記基地局アンテナは、複数のアンテナ素子から構
成され、前記アンテナ各素子の送受信信号に重みづけを
行うことで指向性を変えることができる可変指向性アン
テナであり、前記アンテナ各素子の信号を各素子毎に時
分割多重装置で時分割多重し制御局と基地局との間で伝
送することを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】前記通信媒体は光ファイバであり、時分
割多重された前記アンテナ各素子の信号を光で強度変調
して伝送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】前記時分割多重装置は、アンテナ素子選
択スイッチによって構成され、前記アンテナ各素子を前
記アンテナ素子選択スイッチによって順に切り替え、信
号の時分割多重を行う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】前記時分割多重装置は、アンテナ各素子
のアナログ信号を帯域サンプリングを行った標本化波形
に変換し、この標本化波形をサンプリングレートのアン
テナ素子数倍でスイッチングし、時分割多重を行うこと
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】前記時分割多重装置は、無線周波数の信
号を周波数変換し、前記周波数変換された信号をアナロ
グ／デジタル変換しデジタル信号へ変換し、前記デジタ
ル信号を時分割多重して伝送する事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】請求項１から５のいずれかに記載の無線
通信システムにおいて、制御局と基地局間のタイミング
同期を確立するために、制御局または基地局の信号送信
側の局においてパイロット信号発生器を具備し、可変指
向性アンテナ各素子の各々の信号に加えてパイロット信
号も時分割多重装置で時分割多重でで送信し、制御局ま
たは基地局の信号受信側の局においてはパイロット信号
検出器を具備し、パイロット信号に基づいて制御局と基
地局間のタイミング同期が確立できるようになっている
事を特徴とする無線通信システム。