JP2008017517A - Radio device and antenna directivity control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無線装置およびアンテナ指向性制御方法に関する。 The present invention relates to a radio apparatus and an antenna directivity control method.
従来、N本のアンテナからなるデジタル移動通信用のAAA(Adaptive ArrayAntenna)基地局において、アンテナ毎の送信出力信号Y(t)は、入力信号ベクトルX(t)と送信重みベクトルWの掛け算により、Y(t)=X(t)×Wのように表すことができる。ここで、送信重みベクトルWは、重み係数wj(j=1,2,3,・・・,n)を要素とするベクトルである。一般的に、N本のアンテナの各重み係数は、AAAにおけるアルゴリズムでは式(1)で正規化される。
W12+W22+W32+・・・+Wn2=1 (1)
そして、送信重みベクトルがスケーリングされることにより、各アンテナからユーザ端末(以下、端末という)へ送信する電力が決定されるようになっている。
Conventionally, in an AAA (Adaptive Array Antenna) base station for digital mobile communication composed of N antennas, a transmission output signal Y (t) for each antenna is obtained by multiplying an input signal vector X (t) by a transmission weight vector W. Y (t) = X (t) × W can be expressed. Here, the transmission weight vector W is a vector having weighting factors wj (j = 1, 2, 3,..., N) as elements. In general, each weighting factor of N antennas is normalized by Expression (1) in the algorithm in AAA.
W12 + W22 + W32 + ... + Wn2 = 1 (1)
Then, by scaling the transmission weight vector, power to be transmitted from each antenna to a user terminal (hereinafter referred to as a terminal) is determined.
上記スケーリングは、式(2)により行われる。
このようなスケーリングを行いつつ、複数のアンテナの指向性制御として、各端末からの受信信号強度に応じて、送信信号の指向性に加えて送信強度を制御する技術も報告されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記従来技術の場合、アンテナ毎の指向性を制御するが、各アンテナからの送信電力の最適化の点で問題があった。従来は各アンテナからの出力の合計が常に一定になるように、式(2)基づいてスケーリングされていた。例えば、式(2)において、4本のアンテナ用の送信重みベクトルの比がW(1/5,2/5,2/5,4/5)である場合、これをスケーリングすると、(1/9,2/9,2/9,4/9)で表される。 However, in the case of the above prior art, the directivity for each antenna is controlled, but there is a problem in terms of optimizing the transmission power from each antenna. Conventionally, scaling has been performed based on Equation (2) so that the total output from each antenna is always constant. For example, in the equation (2), when the ratio of transmission weight vectors for four antennas is W (1/5, 2/5, 2/5, 4/5), and scaling this, (1 / 9, 2/9, 2/9, 4/9).
一般に各アンテナの送信電力は、Wの成分の2乗に比例する。従って、上記例では最も重み係数(成分)の大きさが大きい4番目のアンテナの送信電力が最大((4/9)2)となる。そして、通常は成分の2乗に最大送信電力Pmaxを乗じた値を送信電力としている。このことは、4番目のアンテナからはPmax×(16/81)の電力で送信されることになるので、これではアンテナの送信出力の能力を100%活用していることにはならない。このように従来のスケーリングでは、アンテナの送信能力を最大限利用していなかった。
In general, the transmission power of each antenna is proportional to the square of the W component. Therefore, in the above example, the transmission power of the fourth antenna having the largest weight coefficient (component) is the maximum ((4/9) 2). Usually, the value obtained by multiplying the square of the component by the maximum transmission power Pmax is used as the transmission power. This means that the fourth antenna transmits with power of Pmax × (16/81), and this does not use the transmission output capability of the
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、アンテナからの送信電力が送信能力と同一になるまで最大化できる無線装置およびアンテナ指向性制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a radio apparatus and an antenna directivity control method capable of maximizing until the transmission power from the antenna becomes equal to the transmission capability.
請求項1記載の無線装置では、複数のアンテナからなるアレーアンテナと、前記アレーアンテナの指向性を制御するアダプティブビームフォーミングおよびアダプティブヌルスティアリングにより端末へ所定の放射パターンの送信ビームを形成する送信制御手段とを備え、前記端末との間で無線通信する無線装置において、前記送信制御手段は、前記複数のアンテナの各アンテナに対して夫々設定された重み係数のうち、最大の重み係数の絶対値により、前記重み係数を成分とする送信重みベクトルをスケーリングすることを特徴とする
このように、複数のアンテナに対して設定された重み係数のうち、最大の重み係数で、重み係数で表される送信重みベクトルをスケーリングすることにより、N本のアンテナのうち、重み係数が一番大きいアンテナから送信電力を送信能力一杯まで最大化して送信することができる。そして、送信電力を最大化して送信することにより、端末に届く電力を増大させ、下りの干渉抑圧能力を最大限に維持し、かつ、端末の通話品質をより良好に保つことができる。
The radio apparatus according to
請求項2記載のアンテナ指向性制御方法では、複数のアンテナからなるアレーアンテナを備え、前記アレーアンテナの指向性を制御するアダプティブビームフォーミングおよびアダプティブヌルスティアリングにより端末へ送信する電力の制御を行い、端末との間で無線通信する無線装置におけるアンテナ指向性制御方法であって、前記複数のアンテナの各アンテナに対して夫々設定された重み係数のうち、最大の重み係数の絶対値により、前記重み係数を成分とする送信重みベクトルをスケーリングするように制御することを特徴とする。
The antenna directivity control method according to
本発明の無線装置およびアンテナ指向性制御方法は、複数のアンテナに対して設定された重み係数のうち、最大の重み係数で、重み係数で表される送信重みベクトルをスケーリングするので、N本のアンテナのうち、重み係数が一番大きいアンテナからの送信電力を最大化し、端末に到達する電力が最大となるような最適化を行うことができる。 Since the radio apparatus and the antenna directivity control method of the present invention scale the transmission weight vector represented by the weighting factor with the largest weighting factor among the weighting factors set for a plurality of antennas, Among the antennas, the transmission power from the antenna having the largest weight coefficient can be maximized, and optimization can be performed so that the power reaching the terminal is maximized.
以下、本発明の無線装置およびアンテナ指向性制御方法の好適な実施形態について図1を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of a wireless device and an antenna directivity control method of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
図1は、本実施の形態に係る無線基地局装置100(無線装置)の構成を示すブロック図である。この図1に示す無線基地局装置(以下、単に無線基地局という)100は、端末との間でデジタル無線通信を行うPHS(登録商標)基地局である。なお、本実施の形態では、説明の便宜上、一例として4本のアンテナで端末と通信する場合を例に挙げて説明する。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of radio base station apparatus 100 (radio apparatus) according to the present embodiment. A radio base station apparatus (hereinafter, simply referred to as a radio base station) 100 illustrated in FIG. 1 is a PHS (registered trademark) base station that performs digital radio communication with a terminal. In this embodiment, for convenience of explanation, a case where communication is performed with a terminal using four antennas will be described as an example.
図1において、無線基地局100は、4つのアンテナANT1〜ANT4からなるアレーアンテナを備え、これらアンテナANT1〜4が送受信切り替えスイッチ2に接続されている。送受信切り替えスイッチ2は、これらアンテナANT1〜ANT4を時分割で制御して送信と受信との切り替え制御を行っている。無線部4は、第1〜第4の受信部6と、第1〜第4の送信部8とを備え、第1〜第4の受信部6はアンテナANT1〜4に各々対応して設けられており、第1〜第4の送信部8はアンテナANT1〜4に各々対応して設けられている。第1〜第4の受信部6および第1〜第4の送信部8は、送受信切り替えスイッチ2を介してそれぞれアンテナANT1〜ANT4に接続される。
In FIG. 1, the
受信部6は、不図示のローノイズ増幅器とダウンコンバータとA/Dコンバータから構成されている。受信部6はまた、変復調部12に接続されている。受信部6では、自己に対応するアンテナで受信された信号がローノイズ増幅器を介してダウンコンバータに入力され、該ダウンコンバータ18の出力がA/Dコンバータでデジタル化されて変復調部12に出力される。
The
送信部8は、不図示のD/Aコンバータとアッパコンバータと電力増幅器から構成されている。また、送信部8は、変復調部12に接続されている。送信部8では、変復調部12から入力される重み係数(複素数)が設定される。設定された重み係数と当該端末に送信するデータは、D/Aコンバータによりアナログ化され、アッパコンバータと電力増幅器を介して、自己に対応するアンテナから送信される。
The
変復調部12は、複数のCPUから構成されており、送受信データの変復調およびデジタル信号処理による位相制御を行っている。具体的には以下の5つの制御を行う。
(1)第1〜第4の受信部6それぞれの最終段で変換されたデジタル信号を、例えばD/U(Desire/Undesire;希望波/妨害波)すなわちCIR(Carrier toInterference Ratio)値が最大となるように合成し復調する。
The
(1) The digital signal converted in the final stage of each of the first to
(2)アンテナANT1〜ANT4での受信波それぞれの位相を算出して、送信時にはアンテナ端で同等の位相になるように制御する。それによって、通信を行う端末の方向に送信/受信とも指向性を持たせることができる。
(3)干渉波と遅延波の到来方向にヌル点を作ることによって抑圧する。
(4)各アンテナANT1〜ANT4に供給する信号の位相を制御することによって、任意の方向に指向性を持たせてビームを絞って送信することを可能とする。この位相制御は、第1〜第4の送信部8にそれぞれ重み係数を設定することで行う。この重み係数の設定により、各々の送信ビームの放射パターンの任意の方向にヌルを形成することができる。
(5)周囲の基地局や通話中、あるいはデータ(通信)のやりとりをしている端末以外の端末に対して、下り方向に与える干渉を減少させる。この変復調部12は制御部14に接続されている。
(2) The phase of each received wave at the antennas ANT1 to ANT4 is calculated, and control is performed so that the phase is equivalent at the antenna end during transmission. Accordingly, directivity can be given to both transmission / reception in the direction of the terminal that performs communication.
(3) Suppression is performed by creating a null point in the arrival direction of the interference wave and the delayed wave.
(4) By controlling the phase of the signal supplied to each of the antennas ANT1 to ANT4, it is possible to transmit with the beam narrowed with directivity in an arbitrary direction. This phase control is performed by setting a weighting factor for each of the first to
(5) To reduce interference in the downlink direction to surrounding base stations and terminals other than terminals that are communicating or exchanging data (communications). The
制御部14は、複数のCPUから構成され、無線基地局100全体の制御を行う。制御部14は、送信時の放射パターンを形成するための重み係数と、受信時の放射パターンを形成するための重み係数をそれぞれ算出する機能と、スケーリングする機能などを有する。具体的には、変復調部12に対して必要なパラメータおよびタイミングを指示し、変復調部12が受信したデータを処理する。このデータ受信処理において、受信エラーの検出を行う。また、空中に輻射すべき送信データを作成して変復調部12に渡す。なお、受信信号係数ベクトルは、端末の受信情報(振幅と位相)を表すものである。
The
この制御部14は回線インタフェース部15に接続されている。回線インタフェース部16は、ISDN回線等のデジタル通信回線に接続され、これとのインタフェースの処理を実行する。変復調部12および制御部14によって、アダプティブビームフォーミング機能及びアダプティブヌルスティアリング機能が実現される。
The
次に、制御部14による送信重みベクトルのスケーリングについて説明する。制御部14は、正規化された各送信重みベクトルを、N本のアンテナのうち何れか1本のアンテナでの送信出力電力が最大送信電力値P〔mW〕と同一になるよう、式(3)でスケーリングを行う。このときの無線基地局100からの各アンテナの送信出力電力は式(4)のようになる。
例えば、式(3)において、4本のアンテナANT1〜ANT4用の送信重みベクトルの比がW(1/5,2/5,2/5,4/5)である場合、その最大成分は「4/5」であるので、これをスケーリングすると(1/4,2/4,2/4,4/4)で表される。 For example, in Expression (3), when the ratio of the transmission weight vectors for the four antennas ANT1 to ANT4 is W (1/5, 2/5, 2/5, 4/5), the maximum component is “ Since it is 4/5 ", when this is scaled, it is represented by (1/4, 2/4, 2/4, 4/4).
ここでは、最も重み係数の大きさの大きいANT4の送信電力が最大((4/4)2=1))となる。このとき、無線基地局100のアンテナANT4からの最大送信電力Pmaxは、式(4)により、P〔mW〕となり、能力の最大限で出力できることがわかる。
Here, the transmission power of ANT4 having the largest weight coefficient is the maximum ((4/4) 2 = 1)). At this time, the maximum transmission power Pmax from the antenna ANT4 of the
このように、複数のアンテナに対して設定された重み係数のうち、最大の重み係数で、重み係数で表される送信重みベクトルをスケーリングすることにより、N本のアンテナのうち、重み係数が一番大きいアンテナからハードウェア(パワーアンプ)の送信能力と同一となるまで送信電力を最大化できる。各アンテナの重み係数の比が変わらない限り、下りの干渉抑圧能力は変わらないので、本実施の形態の無線基地局100では、下りの干渉抑圧能力を最大限に維持し、かつ、端末に届く電力を増大させて、端末の通話品質をより良好に保つことができる。
In this way, by scaling the transmission weight vector represented by the weighting factor with the maximum weighting factor among the weighting factors set for the plurality of antennas, the weighting factor is equal to one among the N antennas. Transmission power can be maximized from the largest antenna to the same transmission capability as the hardware (power amplifier). As long as the ratio of the weighting factors of each antenna does not change, the downlink interference suppression capability does not change. Therefore, the
図2は本実施の形態のシミュレーションの結果を示す表である。このシミュレーションではモード1〜4の4つの送信方法により、ユーザに届く電力として平均の下りのパワー(Average Downlink Power)を求めた。シミュレーション条件を以下に示す。アンテナ本数は4本、アンテナ1本に125mWのパワーアンプ(PA)を搭載する。希望ユーザ数は1、干渉ユーザ数は1。無線環境は100%Rayleigh fading。上りの所要SNRは20dB、上りの所要CIRは10dB。モード1は500mWのPAを搭載した1本のアンテナで送信。モード2は各々500mWのPAを搭載した4本のアンテナで選択ダイバーシチ送信。モード3は4本のアンテナの出力の合計が125mW固定の送信(各送信系で125mWのPAを搭載)。モード4(本実施形態に対応)は500mW Optimum Power Mode(各送信系で125mWのPAを搭載)。送信バースト数は10000。
FIG. 2 is a table showing the results of the simulation of the present embodiment. In this simulation, the average downlink power was obtained as the power reaching the user by the four transmission methods of
上記条件でモード1〜4についてシミュレーションした結果の「Average Downlink Power」が、図2に示されている。各モードの値は、全てモード1の値を基準として、それに対する相対的なパワーで示している。また、「Average Downlink Power」を計算する際には、10000バーストの各々の下りのパワーをリニアスケールで足し合わせて平均を計算した後、dBスケールに換算している。
“Average Downlink Power” as a result of simulation for
図2に示すように、本実施形態に対応するモード4の結果が優れている。なお、モード2の結果はモード4よりよいが、これは各アンテナに500mWのPAを要しているためであり、設備コストが大きいという問題がある。
As shown in FIG. 2, the result of mode 4 corresponding to this embodiment is excellent. The result of
2:送受信切り替えスイッチ、 4:無線部、
6:受信部、 8:送信部、
12:変復調部、 14:制御部、
16:回線インタフェース部、
ANT1〜ANT4:アンテナ、 100:無線基地局装置(無線装置)。
2: Transmission / reception selector switch, 4: Wireless unit,
6: reception unit, 8: transmission unit,
12: Modulation / demodulation unit 14: Control unit
16: Line interface section,
ANT1 to ANT4: antenna, 100: radio base station apparatus (radio apparatus).
Claims (2)
前記送信制御手段は、前記複数のアンテナの各アンテナに対して夫々設定された重み係数のうち、最大の重み係数の絶対値により、前記重み係数を成分とする送信重みベクトルをスケーリングすることを特徴とする無線装置。 An array antenna comprising a plurality of antennas, and transmission control means for forming a transmission beam of a predetermined radiation pattern to the terminal by adaptive beam forming and adaptive null steering for controlling the directivity of the array antenna, and Wireless devices that communicate wirelessly between
The transmission control means scales a transmission weight vector having the weight coefficient as a component by an absolute value of a maximum weight coefficient among weight coefficients set for each of the plurality of antennas. A wireless device.
前記複数のアンテナの各アンテナに対して夫々設定された重み係数のうち、最大の重み係数の絶対値により、前記重み係数を成分とする送信重みベクトルをスケーリングするように制御することを特徴とするアンテナ指向性制御方法。 An antenna in a radio apparatus that includes an array antenna including a plurality of antennas, performs power control to be transmitted to a terminal by adaptive beam forming and adaptive null steering for controlling the directivity of the array antenna, and performs radio communication with the terminal A directivity control method,
Control is performed so that a transmission weight vector having the weighting factor as a component is scaled according to an absolute value of a maximum weighting factor among weighting factors set for each of the plurality of antennas. Antenna directivity control method.
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