JP2001189617A

JP2001189617A - 無線基地局装置

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Publication number: JP2001189617A
Application number: JP37570399A
Authority: JP
Inventors: Tsuguyuki Shibata; 伝幸柴田; Tokusho Suzuki; 徳祥鈴木; Yoshitoshi Fujimoto; 美俊藤元; Noburo Ito; 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: 2001-07-10
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: JP4161502B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】無線基地局装置２０は、複数のアンテナ
素子１０₁、１０₂、…１０_nからなるアンテナアレイ１
０を備えており、各アンテナ素子は、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、または振幅、位
相、及び遅延時間の重み付けを行う重み付け器１２を介
して分配／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、重み付け器１２は重み
付け制御装置１８に接続されている。複数のアンテナ素
子は、送受信信号の波長より長い間隔離間して配置され
ているので、通信エリアが拡大すると共に、通信エリア
内に存在する障害物により１つのアンテナと端末機との
間の電波が遮蔽されても、他のアンテナ素子で受信した
受信信号を合成して通信を行うことができる。

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、送受信信号の波長よ
り長い間隔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５
０〜１００ｍ離間して配置すると効果的である。

【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、１
０₃、…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、１０
₃、…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、ＯＦＤ
Ｍ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、１０ ₃、…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１
０２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３
０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１
２₁〜１２_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１
１０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１
１４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１
４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１２₁〜１
２_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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤元美俊愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者伊藤修朗愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA10 AA11 DB01 FA06 FA12 FA32 GA07 GA08 HA10 5K067 AA01 CC24 EE10 KK03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送受信信号の波長より長い間隔離間して
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。
【請求項２】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。
【請求項３】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。
【請求項４】前記複数のアンテナ素子を、５０〜１０
０ｍ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。