JP2003069469A - 無線通信用アダプティブアレイ及びアダプティブアレイを用いた無線通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】SDMAによる多重通信の利点を享受しながら、制
御信号を含む制御パケットのサービスエリア内の全通信
端末との効率の良い送受信を実現する。 【解決手段】制御パケットの送受信時には、無線局のサ
ービスエリアを複数のセクタービームによって分割して
カバーする、SDMAを用いた無線通信用アダプティブアレ
イを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に無線通信シス
テムの無線送受信装置に用いる無線通信用アダプティブ
アレイ及びアダプティブアレイを用いた無線通信システ
ムに関する。

【０００２】

【従来の技術】アダプティブアレイは、所定形状に配置
された複数のアンテナ素子と増幅装置や指向性ビーム制
御装置、および無線送受信回路との入出力機能などを備
えたアンテナ装置である。各アンテナ素子の出力に対し
て重み係数を乗じることで重み付けを行い、その重み係
数を制御することで指向性の変更を可能としている。近
年、無線通信システムの基地局や半固定の端末局に、指
向性特性が適宜変えられるこのアダプティブアレイが使
用される場合がある。

【０００３】このようなシステムでは、同時に同一の周
波数を使用して複数の通信相手と送受信するためにSDMA
(Space Division Multiple Access)と呼ばれる既存の技
術を用いる場合がある。SDMAには同時に複数のアンテナ
指向性を合成することができる無線通信用アダプティブ
アレイを用いる。アダプティブアレイは、それぞれのア
ンテナ指向性に対応する送受信信号を、無線送受信回路
との間で処理する。

【０００４】まず従来の方法による無線通信システムに
ついて説明する。サービスエリア内に存在する複数の通
信端末と通信を確立するための基本的な方法として、TD
MA(Time Division Multiple Access)、時分割多元接続
方法を用いている。ここで言う時分割とは通信に使用さ
れる通信パケットのフレームを時間軸で分割することを
いう。この様子を図９に示す。図９ではセクター７０１
をサービスエリアに持つ無線局１０１と通信端末１０
３、１０４、１０５がエリア内に存在している。

【０００５】図９では無線通信用アダプティブアレイ
を、制御情報を含む制御フレームと通信フレームの両方
の送受信に用いている。制御フレームと通信フレームを
サービスセクタ７０１に存在する通信端末全てに送るた
めに、セクタービームＣＢ−Ｃ状のアンテナ指向性を用
いる。例ではアダプティブアレイ１０２が作り出すセク
タービーム状のアンテナ指向性が、セクター７０１を一
様にカバーしている様子を示している。

【０００６】無線局１０１がサービスエリア内に存在す
る全通信端末に対し制御フレームを送る時は、図９に示
す制御フレームの部分を利用して全通信端末に対し同時
に送信される。次に個々の通信端末との通信フレームを
送受信する時には、制御フレームに続く時分割された通
信フレームを使用して行なわれる。図９の例では３つに
時分割された通信フレームの最初のフレームで通信端末
１０３が、そして次のフレームで１０４が送受信してい
る。この方法によれば、サービスエリア内の全ての通信
端末に一度に制御信号を含む制御フレームを送ることが
きる。そして時間間隔を置いて通信相手を入れ替えるこ
とで、各通信フレームについてそれぞれの通信相手との
多元通信環境を得ることができる。

【０００７】しかしながらTDMA方式ではサービスエリア
内で同時にサービスできる通信端末の数は、時分割され
た個々のフレームの分割数に制限を受けてしまう。また
送信時、広範なエリア全てに常に十分な電界強度を発生
させねばならないことから、常に大きな送信時電力も必
要である。これが従来型TDMA方式の欠点である。

【０００８】次にTDMAにSDMAを併用したTDMA/SDMAを用
いる従来の無線通信システムについて説明する。SDMAを
適用すると、無線局から見て異なる方向に存在する通信
端末であれば同時に同一周波数を使用した通信（多重通
信）が行なえるようになる。図７および図８は、上記方
法による無線通信システムの典型的な一実施形態であ
る。図７に示されている無線局等は図９と同様のため、
説明を省略する。

【０００９】無線局１０１に備えられたアダプティブア
レイ１０２は、同時に複数のアンテナ指向性を合成す
る。図７ではビームＡ７０３がカバーする範囲と、これ
とは重なり合うことのないビームＢ７０２がカバーする
範囲を合成している。ビームが実質的に互いに重なり合
うことがないという意味は、これらが重なり合わないよ
うに互いのビームの方向を意図的に制御するという意味
である。ビームの広がりや重み係数誤差などにより、そ
の一部が重なり合っても現実には差し支えない。たとえ
ばその重なり合っている部分に、少数の通信端末しか存
在しないのであれば、現実に問題は生じない。

【００１０】また、このときの指向性を合成するとは、
複数のアンテナ指向性に捕らえられるそれぞれの送受信
信号を、無線局１０１の無線送受信回路との間で同時に
入出力することをいう。たとえば通信端末１０３と通信
端末１０５のような、無線局１０１からみて存在方向の
異なる通信端末との送受信を、同一周波数で同時に行な
える。通信端末１０３をビームＡ７０３がカバーし、通
信端末１０５をビームＢ７０２がカバーしている様子
を、図７に示す。

【００１１】図７では２つのアンテナ指向性と３つに分
割したフレームの最初のフレームを使用して、通信端末
１０３、１０５との通信を行なっている。次の図８では
時分割した次のフレームのタイミングで、ビームＢ７０
２を変化させている。図８には変化後のアンテナ指向性
の状態を示している。図７では通信端末１０３（＃３）
をカバーしていたビームＢ７０２が、図８では通信端末
１０２（＃２）をカバーするビームＢ８０２へと変化し
ている。これによりビームＢのカバー範囲に位置する通
信端末１０４は無線局１０１と通信ができるようにな
る。このときのビームの変化は、当該無線局１０１が同
一フレームタイミングの中で形成するいずれのビームと
も重なり合うことがないように制御される。このように
一つのアンテナ指向性を時分割で変化させることによ
り、より多くの通信端末との通信を可能とする。

【００１２】しかしながら、この通信方法は散在する通
信端末に信号を送受信する際には問題を生ずる。SDMAを
用いる無線通信用アダプティブアレイは、指向性方向が
異なるそれぞれの指向性が作るビームの幅を、一般に狭
く設定している。狭いビームならば隣り合うビームとの
干渉を避けることができ、通信の多重化に有利となるか
らである。狭い幅のビームで散在する全ての通信端末に
送受信するには、指向性パターンを何度も変え、その都
度送受信を繰り返さねばならない。通信端末がサービス
エリア内にあったとしても、その送受信の瞬間における
アンテナの指向性方向にあたらなければ、該通信端末は
所望のパケットを受信できないし、または送信した電波
が無線局に捕らえられることもない。それが通信端末の
通信開始のためのパケットであったならば、当然として
通信が開始できない。これが第１の問題点である。

【００１３】SDMAの利点を捨て、広い範囲をカバーする
ビームを適用すれば、上述のような問題は緩和される。
しかしそれは無線局の受信時において、次のような新た
な問題を生む可能性がある。それは制御信号を含む通信
パケット信号を受信した各通信端末が、一斉に応答を返
す場合などである。このような場合には無線局が端末局
からの信号を正常に受信できる確率が低くなる。複数の
通信相手からの通信パケットが時間的に重なり合うとそ
れらのパケット同士が衝突を起こす。衝突したデータは
受信されることなく破棄されてしまうため、再度の送信
が必要となる。これが通信確立のための信号であった場
合、失われた信号を再送した後でなければ通信が開始で
きない。これが頻繁に発生すると通信の開始が極端に遅
れる場合がある。これが従来の、TDMA、TDMA/SDMAを用
いた場合の第２の問題点である。

【００１４】一つのアダプティブアレイでビーム幅の広
いビームと、狭いビームを併用する方法は技術的には次
の問題も含んでいる。上記のように幅の広いビームと狭
いビームの両方を同一のアダプティブアレイで合成させ
ると、一般には利得面で差が生じる。セクタービーム状
の角度の広い指向性パターンを発生させると、アダプテ
ィブアレイの中央付近のアンテナ素子に大きな振幅ウェ
イトを励起する。よってそのほかのアンテナ素子のウェ
イトを落とすこととなり、セクタービームの指向性利得
が落ちてしまう。この利得差は、一般にビーム幅の差に
大きく依存する。したがって通信可能範囲として確保で
きるサービスエリアは、セクタービーム側の指向性利得
によって決まってしまう。

【００１５】利得を落としたくないためにアダプティブ
アレイに加え、高利得のセクターアンテナを併設する場
合もある。セクターアンテナは比較的広範な指向性範囲
を持ったアンテナである。制御信号を含む制御フレーム
の送受信には併設した高利得のセクターアンテナを用
い、個々の通信端末との通信フレームの送受信にはアダ
プティブアレイを使用する。通常、この２つのアンテナ
はマイクロ波スイッチで切り替えて通信設備と接続され
る。これらの構成では切り替えのための設備が大きくな
る上に、互いのアンテナ同士の相互結合を低減する目的
で、アンテナ間に距離をおくことも必要である。よって
設置のために広い占有空間が必要になる。これが第３の
問題点である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】既述したように、従来
のTDMAにSDMAを適用すると多くの利点がある反面、既述
の通り多くの問題点も発生する。したがって本発明で
は、上記問題を克服し、無線局と通信端末局間のパケッ
ト通信におけるTDMA/SDMA通信を行なうことができるア
ダプティブアレイおよびアダプティブアレイを用いた無
線通信システムを提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、無線
局を取り囲む全方向あるいはその一部をサービスエリア
とする無線局の無線通信用アダプティブアレイにおい
て、実質的に互いに重なり合うことのない複数の狭いビ
ーム状のアンテナ指向性を合成する手段と、前記それぞ
れのアンテナ指向性に対応する送受信信号を無線送受信
回路との間で入出力する手段と、を持つ無線通信用アダ
プティブアレイであって、制御フレーム内の制御信号を
含む通信パケット信号の送受信時には、少なくとも２以
上の前記狭いビーム状のアンテナ指向性よりも広い、実
質的に互いに重なり合うことの無いセクター状のビーム
によって分担して前記サービスエリア全体を同時にカバ
ーするように、前記それぞれのアンテナ指向性を操作す
る手段を備えることを特徴とする無線通信用アダプティ
ブアレイが提供される。

【００１８】またさらに、制御フレーム内の制御信号を
含む通信パケット信号の送受信時において、接続される
無線通信システムからの制御信号によって、前記セクタ
ー状ビームを持つそれぞれのアンテナ指向性の分担する
前記サービスエリアの当該領域範囲を変更する手段をさ
らに具備することで、それぞれのアンテナ指向性に対す
る通信密度を操作することが可能となる。上記制御信号
によって通信端末の存在密度の高い範囲を分担するアン
テナ指向性の幅を狭めれば、サービスエリア全体として
通信密度を平準化することができる。よって通信パケッ
ト等の消失軽減などの効果が期待できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に本発明について詳細に説明
していく。図１は第１の発明の無線通信用アダプティブ
アレイを用いた無線通信システムの一実施形態を示して
いる。

【００２０】基地局１０１が具備する無線通信用アダプ
ティブアレイ１０２は、基地局１０１を取り囲む全方向
あるいはその一部のサービスエリア内でSDMAによる通信
を端末局１０３、１０４、１０５との間で行なう。図１
では、サービスエリアの一部がアダプティブアレイ１０
２により形成されたセクタービームＣＢ−Ａでカバーさ
れ、他の一部はセクタービームＣＢ−Ｂによりカバーさ
れる。アダプティブアレイ１０２は同時に複数のアンテ
ナ指向性を合成し、それぞれのアンテナ指向性に対応す
る送受信信号を、無線局に設置された送受信制御回路と
の間で入出力する構成を有している。上記アダプティブ
アレイの受信部分は、例えば図２に示したような構成を
持つDBFアレイなどを用いてSDMAを実現できる。

【００２１】アレイアンテナ２０１は複数のアンテナ素
子を直線状あるいは円形状といった所定形状に配列して
構成される。アレイアンテナ２０１の各アンテナ素子の
出力信号はフィルタ（例えば、帯域通過フィルタ）２０
２により不要成分が除去され、さらに低雑音増幅器（LN
A）２０３により増幅された後に乗算器２０６に入力さ
れる。そしてローカル発振器２０４から分配器２０５を
介して供給されるローカル信号と乗算されることによ
り、周波数変換される。乗算器２０６の出力はフィルタ
２０７により不要成分が除去され、直交復調器２０８に
より復調された後、Ａ／Ｄ変換器２０９によりデジタル
信号に変換される。フィルタ２０２、低雑音増幅器２０
３、乗算器２０６、ローカル発信器２０４、分配器２０
５、フィルタ２０７、およびＡ／Ｄ変換器２０９はアレ
イアンテナ２０１のアンテナ素子数と同数個設けられ
る。

【００２２】この後、セクタービームＣＢ−Ａの処理を
行なう回路２１６ａとセクタービームＣＢ−Ｂの処理を
行なう回路２１６ｂがそれぞれに続く。Ａ／Ｄ変換器２
０９から出力されるデジタル信号は、まず複素乗算器２
１０に入力される。そこで振幅および位相についての重
み係数（複素重み係数）が乗じられ、その出力は加算器
２１１により加算処理される。この出力が検波回路２１
２によって復調されビーム制御回路２１４へと導かれ
る。ビーム制御回路２１４にはさらにＡ／Ｄ変換器２０
９からのディジタル信号と受信制御回路２１５からの信
号も入力されており、これらの情報から複素乗算器２１
０に対する重み係数が決定される。この重み係数を適切
に取ることによってどのようなアンテナ指向性になるか
が決まる。復調された信号は通信端末からの受信信号と
して受信制御回路２１５へ接続され、通信データとして
使用される。また受信制御回路２１５からビーム制御回
路２１４への信号によって、複素乗算器２１０に与えら
れる重み係数を操作しアンテナ指向性のビームパターン
を操作することができる。

【００２３】この実施形態の無線通信アダプティブアレ
イ１０２では、制御フレームにおいて基地局１０１のサ
ービスエリア全体を、互いに異なる指向性を有する複数
のセクタービームで分担してカバーする。図１では基地
局１０１のサービスエリア全体を、セクタービームＣＢ
−Ａを持つアンテナ指向性とＣＢ−Ｂを持つアンテナ指
向性の２つのビームで実質的に互いに重なり合うことな
く、かつくまなくカバーしている状態を表している。既
述したように、これらのビームは重なり合う部分があっ
てはならないという意味ではなく、あくまで異なるアン
テナ指向性によってという意味に解釈されなければなら
ない。その重なり合う部分に含まれる端末局が、問題が
生じない程度の数しか存在しないのでれば事実上差し支
えない。上記動作は主に、サービスエリア内に存在する
全端末局との間で同時に送受信する必要のある、制御信
号を含む制御パケット信号の一斉送受信の際に行なわれ
る。一方、個々の端末局との間でやり取りされる通信フ
レームの送受信時には、セクタービームよりも狭いビー
ムにより通信が行なわれる。

【００２４】セクタービームとする場合または狭いビー
ムとする場合でも上記構成に変更は必要ない。どのよう
なビームパターンのアンテナ指向性を与えるかは、ビー
ム制御回路２１４が複素乗算器２１０に伝達する重み係
数によって制御される。制御フレームの送受信の際はセ
クタービームパターンとなる重み係数値、通信フレーム
の際は狭いビームパターンとなる重み係数がビーム制御
回路２１４よりそれぞれ与えられる。これまでの説明
は、第１の実施形態となる。

【００２５】この機能を具備することにより、別途オム
ニ指向性アンテナやセクターアンテナを設置することも
なく、さらにはそれらを切り替えるためのマイクロ波ス
イッチを備える必要も無くなる。広範なサービスエリア
を、上記アンテナが使用するセクタービームより狭い複
数のセクタービームで構成すると、次のようなメリット
が受容できる。

【００２６】（１）一つのセクタービームに含まれる端
末局の総数を減らすことができ、制御信号を含む制御パ
ケットの衝突率を低減できる。

【００２７】（２）１のアダプティブアレイによる、比
較的狭い範囲をカバーする本実施形態のセクタービーム
の利得と、通信フレームの送受信に使用される狭いビー
ムとの間の利得差を小さくできる。よって基地局１０１
のサービスエリアのセル半径を広く取れる。セル半径が
広く取れると、より遠くの端末局をサービスすることも
できる。

【００２８】（３）端末局のサービスエリア内での存在
方向を推定するのに要する時間の短縮ができる。

【００２９】なお本実施形態ではサービスエリアを２つ
のセクタービームで全体を覆う場合を示したが、３つ以
上のビームを用いることも同様の方法で実施が可能であ
る。同時に張るビーム数が増えれば、同時に通信が可能
な端末局の数を増やせる可能性もある。

【００３０】（各アンテナ指向性のビーム幅の変更）前
述したような、実質的に互いに重なり合わない複数のセ
クタービームでサービスエリアを分割してカバーすると
き、必ずしもそれぞれが均等に分割された範囲をカバー
しなければならないということはない。例えばセクター
内の端末局の分布が一様ではなく偏りがある場合、図３
に示すようにビーム幅を変化させても良い。端末局が密
に分布する範囲（図ではＣＢ−Ａを想定）の方をより狭
いセクタービームとし、他のビーム（同じくＣＢ−Ｂ）
でＣＢ−Ａの範囲外となった範囲を含んでカバーする。
ビーム幅を不均一にすることで、各ビームでサービスす
る可能性のある端末局の数をほぼ同じ程度にし、トラフ
ィックの均一化とサービスエリア内でのパケットの衝突
率を最小化することができる。これが第２の実施形態で
ある。

【００３１】第３の実施形態として、各セクタービーム
が分担する範囲を変更するために、過去の制御フレーム
での通信パケット信号の受信頻度情報を用いることも考
えられる。これはセクタービームで受けた制御フレーム
の通信パケット信号の受信頻度は、そのセクター内に存
在する端末局の存在数にほぼ比例すると考えられるから
である。このように構成するとパケットの衝突率管理や
トラフィックの均一化を自動的に行なわせることも可能
である。

【００３２】携帯電話のセルラーシステムや無線ＬＡＮ
などでは、通信の開始時やハンドオーバーの際にランダ
ムアクセスを行なう。通信端末が無線局等の間に確立し
ている接続を別の無線局に切り替えることをハンドオー
バーという。切り替えに当たって通信端末は適切な無線
局との間に接続を確立するため、制御信号やパケット通
信信号のやり取りを行なう。このとき、通常の通話状態
とは異なる送受信が行なわれる。このときの通信に使用
される方法が、ランダムアクセスと呼ばれる手法であ
る。

【００３３】ここで行なわれる一連のやり取りを、パケ
ット通信を利用した具体的な無線LANシステムであるMMA
C(Multimedia Mobile Access Communication system)を
例にとって説明する。MMACとは日本で標準化が進められ
ている５GHｚ帯無線アクセスシステムでTDMA/TDD方式を
採用している。

【００３４】TDMA/TDD方式では送受信の際の物理チャネ
ル構成、つまりMACフレーム構成は図１０のMACフレーム
１００１のようになる。MAC(Media Access Control)は
国際標準化機構(ISO)が制定するOSI(Open System Inter
connection)参照モデルのデータリンク層の下位に相当
する。MACはフレームの送受信方法の形式、誤り検出方
法などを規定する。フレームはデータの送受信単位のこ
とである。およそ２msec毎にMACフレーム１００１のフ
ォーマットで、基地局と端末局間で上り／下りリンク(D
L data/UL data)の信号送受信を行なう。

【００３５】先頭のBCHは、フレーム毎、セクター毎の
運用情報を報知するために使用される。次のFCHは前述M
ACフレームの構造に関する情報を通知するために使われ
る。また端末局から通信を開始するときにはランダムア
クセスという方法が使われるが、そのためのリソース要
求を行なうのがRCHの部分である。RCHで要求された結果
は、以降のフレームのACHによって基地局から端末局に
通知がなされる。

【００３６】無線LANにおいては周波数利用効率を向上
されるためにSDMAを採用することは非常に有効となる。
これは空間的に離れた通信端末に対して同一の周波数/
時間を割り当てることができるからである。特にMMACの
ような２０GHｚという広帯域の信号を取り扱うシステム
に適している。広帯域ゆえに数少ないチャネルリソース
しか割り当てられないことが多く、この技術によりシス
テム容量の増大が期待できる。

【００３７】従来のMMACのMACフレーム１００１にSDMA
を適用した場合、MACフレーム１００２のようなフレー
ム構成とすることでユーザを多重化することができる。
しかしながらこのようなフレーム構成であるかぎり、端
末局から通信を開始する際に使用されるRCHが多重化さ
れない。これはSDMA多重度数が大きくなってくると、端
末局のランダムアクセスによるRCHのリソース要求が集
中する結果を招く。このためパケットの衝突が起こり易
くなり、特に基地局との通信確立の際に問題が大きい。
SDMAを用いた場合であっても、これらの影響をできうる
限り排除できることが望ましい。

【００３８】図６は前述した発明の構成例である。複数
のセクタービームで基地局のサービスエリアをカバーす
る１つの無線通信用アダプティブアレイであって、各々
のビーム幅を可変とする構成の一例を表している。例で
は３本のアンテナ素子６００に入射する受信信号は、乗
算器６０５と加算器６０６によって所定のビームパター
ンを形成するように重み付けされる。その後検波回路６
０７にて復調される。このとき、重み付けを行なうため
のビームウェイトは各アンテナ素子６００の受信信号ま
たは検波回路６０７の出力を用いて、受信ウェイト計算
回路６０８から得ることができる。ここまでの動作は、
図２で示したアンテナ素子２０１からＡ／Ｄ変換器２０
９までと合成ディジタル信号処理回路２１６ａの動作と
同じである。

【００３９】また図６の上では１つの合成ディジタル信
号処理回路６０９しか記載していない。現実にはSDMA多
重するユーザ数、すなわちサービスエリア内で通信を同
時に行なうユーザ数分の合成ディジタル信号処理回路を
備えるものとする。図２の構成例では時分割された通信
フレームの１の時点を考えると同一周波数で同時に基地
局と送受信ができるのはビームＡ、ビームＢあわせて２
ユーザということになる。

【００４０】本発明のアダプティブアレイ基地局では上
記の受信系とは別にビームフォーミングネットワーク
(ＢＦＮ)６０１、ＲＣＨモニタ６０２、比較器６０３、
および６０４を備える。ＢＦＮは決まったビームウェイ
トを持ち、あらかじめ定められた固定ビームとなるアン
テナ指向性パターンを作り出すものである。

【００４１】図６では３つのＢＦＮが記載されており、
それぞれがサービスエリア内で異なったゾーンをカバー
するようなビームを形成する。各ＢＦＮ６０１のビーム
で受信された制御信号（特にRCH）をＲＣＨモニタ６０
２で検出する。この各検出結果を次の比較器６０３で比
較し、最も大きい値を持つＲＣＨモニタ６０２をビーム
選択回路６０４で選択する。これは選択されたＲＣＨモ
ニタに続くＢＦＮの一つを選択することに等しく、よっ
て選択されたＢＦＮのビームウェイト（固定値）を決定
できる。

【００４２】決定したビームウェイト（固定値）は受信
指向性パターン形成のための初期値として、受信ウェイ
ト計算回路６０８の最適受信指向性パターンのトレーニ
ングデータとなる。このとき頻繁に選択されるＢＦＮの
ビームウェイトに相当するアンテナ指向性のビームパタ
ーン内には、端末局が多く存在し密度が高いと推定でき
る。受信ウェイト計算回路６０８は、トラフィック均一
化のために、当該ビームウェイトに相当するアンテナ指
向性のビーム幅を狭めるように制御される。

【００４３】上述したように、図６のアダプティブアレ
イ基地局では複数のＢＦＮ６０１による固定ビームの受
信と比較器６０３によって、ＲＣＨの伝播してきた方向
をおおよそ特定できる。これは制御信号であるＲＣＨに
よるランダムアクセスを受けると、ＢＦＮが作り出すビ
ームパターンのうちの１つが比較器６０３で選択される
ため、当該ビームパターンが示す範囲をＲＣＨが伝播し
てきた方向とみなすことができるからである。端末局の
存在密度が高い範囲のビーム幅を狭めることで通信対象
となる端末局が均一化され、よって端末局と基地局間で
のパケット衝突率が低減される。

【００４４】一般に、多重化すべきユーザがサービスエ
リア内に一様に分布している場合、パケット衝突率は固
定したマルチビームを用いた場合に比べビーム本数分の
１になると見積もられている。パケットの消滅が低減さ
れることから、通信開始前のランダムアクセスにおけ
る、接続確立に要する時間の遅延を抑えることができ
る。

【００４５】さらに受信指向性パターンを求める際に
も、選択されたＢＦＮのビームウェイトを初期値として
採用することができる。ある程度確かな初期値を用いる
ことができれば、次の上りリンク(UL)の受信データでビ
ームウェイトを微調整するだけで、SDMAに最適なアンテ
ナ指向性パターンを迅速に形成できる。

【００４６】図６に示した本実施形態では３つの固定ビ
ームを用いてサービスエリア全体を分割する場合を示し
ている。実施に当たってはＢＦＮの数やアンテナ素子数
を変更してもその作用はなんら変わりがない。

【００４７】またMMAC(Multimedia Mobile Access Comm
unication System)などの、ランダムアクセスによって
呼出設定や通信を行なうものであれば適用できる。たと
えば一般的な無線LANやセルラーシステムなどである。
この場合でも、同様な構成を用いて容易にSDMAを実現で
きる。

【００４８】さらに、本発明の実施の際は、実施例に示
した基地局と端末局の関係を入れ替え、端末局に本発明
のアダプティブアレイを適用しても、その構成および効
果を発揮できるものである。

【００４９】（端末局の存在方向の推定）前述したよう
にサービスエリアを複数のセクタービームで分割する場
合に、あるアンテナ指向性範囲内で通信相手からの制御
信号を含む通信パケットを受信したとする。マルチパス
の状況が非常に厳しくない限りは、この通信相手は依然
として同じアンテナ指向性範囲内に存在する場合が多い
と考えられる。

【００５０】通信相手の方向推定にビームスキャンを用
いる場合、上記通信相手からの通信パケットを受信した
アンテナ指向性範囲だけをスキャンするだけで良い。サ
ービスエリア全体のスキャンをする必要がないため、よ
って推定にかかる時間を短縮することが可能となる。ビ
ームスキャンの例としては、ビームの指向性を変化させ
ながら通信相手から届く電波の電界強度の最大となる方
向を探す方法と、逆に最小となる方向を探すヌルスキャ
ンとがある。いずれにしてもアンテナ指向性を変化させ
つつ一定範囲を走査（スキャン）するため、広い範囲の
走査ほど時間が必要になる。

【００５１】第４の実施形態として、この様子を図４に
示す。セクタービームＣＢ−Ａの範囲に端末局１０３が
存在することが判明したとする。アダプティブアレイ１
０２はセクタービームＣＢ−Ａの範囲のみ、つまりセク
タービームＣＢ−Ａの範囲外である角度範囲４０３を除
く、角度範囲４０２のみを走査すればよい。走査にあた
っては、図２に示したビーム制御回路２１４から複素乗
算器２１０に与えられる重み係数を順次変化させ、狭い
ビーム４０１が角度範囲４０２内を移動（走査）するよ
うに制御する。

【００５２】このときアダプティブアレイ１０２の受信
信号は受信制御回路２１５によりモニタされており、そ
の受信信号の最大値（ヌルスキャンについては最小値）
を見つけ出す。受信信号が最大値（あるいは最小値）を
採るときのビーム４０１が向いている方向がすなわち端
末局の存在する方向であると推定できる。

【００５３】これとは別に高分解能方向推定アルゴリズ
ムを用いて算出する方法も考えられる。このアルゴリズ
ムの一例としては、MUSIC(Multiple Signal Classifica
tion)、ESPRIT(Estimation of Signal Parameters Rota
tional Invariance Techniques)などがある。この方法
は一般に、しばしばスプリアス解を生ずる。スプリアス
解とは、実際に通信相手が存在する方向とは別の、見せ
掛けの虚像解のことである。本発明では制御信号を受信
した比較的狭いセクター範囲に存在することが分かって
いるので、該セクター範囲外に出現する解は全てスプリ
アス解として容易に排除できるという利点がある。

【００５４】第５の実施形態として、この様子を図５に
したがって説明する。前提としてセクタービームＣＢ−
Ａの範囲に端末局１０３が存在することが判明したとす
る。端末局の正確な存在方向を特定するため、このとき
の受信結果を用いて高分解能方向推定アルゴリズムによ
る方向推定計算を行なう。

【００５５】場合によってはいくつかの存在方向を示す
結果が得られることがある。現実の端末局は１つしか存
在しないため、それ以外の解はすべて虚像解として排除
しなければならない。図５では現実の端末局１０３に対
して、解１０３ａ〜１０３ｃが得られた例を示してい
る。このような場合であっても、すでに端末局はセクタ
ービームＣＢ−Ａの範囲内に存在することがわかってい
るから、一番妥当と思われる解として解１０３ａを採用
すればよい。一連の上記計算はビーム制御回路２１４あ
るいは受信制御回路２１５によって行なわれる。

【００５６】（送信設備への適用）これまで示した実施
例では主に、SDMAの受信側に用いる無線通信用アダプテ
ィブアレイの説明をしてきた。これを送信側に置き換え
た場合であっても、複数のセクタービームでサービスエ
リア全体を分割してカバーすることで、同様な効果を得
ることができる。

【００５７】この実施形態を同じく図６に示している。
送信回路から送られてきた信号は、備えられたアンテナ
素子に割り振るために分配器６１０によって分配され
る。そしてそのそれぞれに対し、送信ウェイト計算回路
６１４からの信号に応じた処理が複素乗算器６１１によ
って行なわれる。このように処理された信号は、可変利
得増幅器６１２による増幅を受け、加算器６１３へと導
かれる。図６では当該処理回路６１５を一つしか記載し
ていないが、実施時に形成する送信ビームの本数に相当
する数の処理回路を設けることになる。加算器６１３は
これら複数設けられる処理回路の信号を加算する機能を
担っている。

【００５８】最後にダイプレクサ６１６を通過し、アン
テナ素子６００より放射される。ダイプレクサ６１６は
サーキュレータやフィルタなどの共用器であり、送受信
でアンテナを共用するための電子装置である。受信の際
はアンテナ素子から受信回路、および送信の際は送信回
路からアンテナ素子へは通電するが、その逆方向には流
れにくいという性質を持つ。

【００５９】送信信号がアンテナ指向性を合成する前に
可変利得増幅器６１２によって増幅されるのは既述のと
おりである。送信時、送信ウェイト計算回路６１４は、
ビーム選択回路６０４からの情報に従い、アンテナ素子
毎の重み係数を決定する。この係数は送信されるビーム
のパターンに対応しているため、あらかじめ当該パター
ンにおける指向性利得を見込むことができる。送信ウェ
イト計算回路６１４は係数の決定と共に、可変利得増幅
器６１２へ与える制御信号も生成する。可変利得増幅器
６１２はこの制御信号によって、指向性利得と送信電力
がおおむね一定になるようにその増幅率が制御される。
この状態を保つことによって、不必要な電力消費を抑え
ることが可能となる。

【００６０】例えば図１から図３のようにセクタービー
ムの指向性範囲を変え、それぞれのセクタービームの指
向性範囲が不均一になった場合を想定する。アダプティ
ブアレイの場合、一般に指向性範囲が狭まると指向性利
得が高くなる。図３の場合では、図１の時の送信電力と
同じだとするならば、ＣＢ−Ａでの指向性利得がＣＢ−
Ｂの指向性利得よりも高くなる。これは想定されたサー
ビスエリアのセル半径以上の範囲へ電波を発信すること
になり、よって不必要な送信電力を消費していることに
なる。

【００６１】さらに、過大な送信出力による送信は、当
該アンテナ指向性外の隣接するセクターへの不要輻射を
生ずる。ひいては隣接セクターへの不要輻射はＣＩＲ(C
arrier to Interference Rate：所望波対干渉波比)の劣
化を招き、通信品質の低下から結果的にシステムの加入
者容量の低下に結びつく。本発明によれば不必要な送信
電力を抑えられるとともに、それにより隣接セクターへ
の不要輻射が抑えられ、ＣＩＲの改善効果も期待でき
る。

【００６２】

【発明の効果】無線局と通信端末局間のTDMA/SDMA通信
において、衝突によるパケットの破棄を低減した、アダ
プティブアレイおよびアダプティブアレイを用いた無線
通信システムが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の、SDMAの制御フレーム送受信時の
セクター分担ビームを示す図である。

【図２】第２の発明の、基地局SDMA用DBFアレイの一実
施例を表す構成図である。

【図３】SDMAの制御フレーム送受信時の分担範囲が不均
一となったセクター分割ビームを示す図である。

【図４】第４の発明の、特定のビーム範囲をビームスキ
ャンする様子を示す図である。

【図５】第５の発明の、高分解能方向推定アルゴリズム
を用いて存在方向を推定した様子を示す図である。

【図６】第３の発明の、基地局SDMA用DBFアレイの一実
施例を表す構成図である。

【図７】従来のSDMAによる送受信の一例を表す第１の図
である。

【図８】従来のSDMAによる送受信の一例を表す第２の図
である。

【図９】従来のセクタービームによるフレームの送受信
を表す図である

【図１０】MMACにおけるMACフレーム構成の一例を表す
図である。

【符号の説明】

１０１ --- 無線局（基地局） １０２ --- アダプティブアレイ １０３〜１０５ --- 通信端末（端末局） ＣＢ−Ａ --- ビームＡが作り出すセクタービ
ーム ＣＢ−Ｂ --- ビームＢが作り出すセクタービ
ーム ２１６ａ --- ビームＡの合成ディジタル信号
処理回路 ２１６ｂ --- ビームＢの合成ディジタル信号
処理回路 ６０１ --- ビームフォーミングネットワー
ク（ＢＦＮ） ６０２ --- ＲＣＨモニタ ６０３ --- 比較器 ６０４ --- ビーム選択回路 ６０８ --- 受信ウェイト計算回路 ６１０ --- 分配器 ６１２ --- 可変利得増幅器 ６１３ --- ダイプレクサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA06 CA06 DB01 EA04 FA13 FA14 FA15 FA16 FA17 FA20 FA26 FA29 FA30 FA32 GA02 HA05 5K067 AA13 AA43 EE02 EE10 EE53 GG08 KK02 KK03

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】無線局を取り囲む全方向あるいはその一部
   をサービスエリアとする無線局の無線通信用アダプティ
   ブアレイにおいて、実質的に互いに重なり合うことのな
   い複数の狭いビーム状のアンテナ指向性を合成する手段
   と、前記それぞれのアンテナ指向性に対応する送受信信
   号を無線送受信回路との間で入出力する手段と、を持つ
   無線通信用アダプティブアレイであって、制御フレーム
   内の制御信号を含む通信パケット信号の送受信時には、
   少なくとも２以上の前記狭いビーム状のアンテナ指向性
   よりも広い、実質的に互いに重なり合うことの無いセク
   ター状のビームによって分担して前記サービスエリア全
   体を同時にカバーするように、前記それぞれのアンテナ
   指向性を操作する手段を備えることを特徴とする無線通
   信用アダプティブアレイ。
2. 【請求項２】制御フレーム内の制御信号を含む通信パケ
   ット信号の送受信時において、接続される無線通信シス
   テムからの制御信号によって、前記セクター状ビームを
   持つそれぞれのアンテナ指向性の分担する前記サービス
   エリアの当該領域範囲を変更する手段をさらに具備する
   ことを特徴とする、請求項１記載の無線通信用アダプテ
   ィブアレイ。
3. 【請求項３】前記接続される無線通信システムからの制
   御信号は、過去に受けた制御フレーム内の通信パケット
   信号の受信頻度に関する情報に基づいた制御信号である
   ことを特徴とする、請求項２記載の無線通信用アダプテ
   ィブアレイ。
4. 【請求項４】ある通信相手からの制御フレーム内の通信
   パケット信号を、制御フレーム内の通信パケット信号の
   受信時における、前記サービスエリアを分担してカバー
   するセクター状のアンテナ指向性のうちの１のアンテナ
   指向性で受信した場合において、当該アンテナ指向性の
   範囲のみを、該通信相手の存在方向を推定するためにビ
   ームスキャンする手段をさらに具備することを特徴とす
   る、請求項１記載の無線通信用アダプティブアレイ。
5. 【請求項５】ある通信相手からの制御フレーム内の通信
   パケット信号を、制御フレーム内の通信パケット信号の
   受信時における、前記サービスエリアを分担してカバー
   するセクター状のアンテナ指向性のうちの１のアンテナ
   指向性で受信した場合において、該通信相手の存在方向
   を推定するために該通信相手から得られた受信信号に対
   し高分解能信号処理を行なった結果から、当該アンテナ
   指向性の範囲内に導出される解のみを抽出して該通信相
   手の存在方向を推定する手段をさらに具備することを特
   徴とする、請求項１記載の無線通信用アダプティブアレ
   イ。
6. 【請求項６】制御フレーム内の制御信号を含む通信パケ
   ット信号を送信するとき、前記サービスエリア全体を分
   割してカバーする複数のアンテナ指向性において、当該
   それぞれのアンテナ指向性の指向性利得と送信電力の積
   がおおむね一定になるように制御する手段をさらに具備
   することを特徴とする、請求項１記載の無線通信用アダ
   プティブアレイ。
7. 【請求項７】請求項１記載の無線通信用アダプティブア
   レイを具備することを特徴とする、無線通信システム。