JP2010016427A - 無線通信システム、無線送信装置、無線受信装置、および無線通信確立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 新たな機構の追加を伴わない簡易な構成により、送信電力を維持しつつ信号対雑音比を上げることでリンクバジェットを改善し、通信確立時の通信品質の安定性確保および通信可能範囲の拡大を図ることを目的とする。
【解決手段】
本発明の無線通信システム１００は、無線通信確立の際、無線送信装置からの制御信号の通信品質に応じて、送信電力を維持しつつ無線送信装置および無線受信装置の帯域通過フィルタ３１０、３５０の通過帯域幅を切り換え、信号対雑音比を調整する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、無線送信装置からの制御信号を無線受信装置で受信し、無線通信を確立する無線通信システム、無線送信装置、無線受信装置、および無線通信確立方法に関する。

近年、ＰＨＳ(Personal Handy phone System)や携帯電話等の無線端末が普及し、その小型化、軽量化と共に通信品質および通信レートの向上が求められている。例えば、昨今では、通信品質を維持しつつ通信環境の変化に応じて適応的に変調方式を変え最適な通信レートでの無線通信を実現する適応変調が採用され、通信環境の良いところでは高速通信による様々なサービスを受けることが可能となっている。

このような無線通信を確立する際、そのときの通信品質が、その変調方式において許容されるか否かの判断基準としてリンクバジェットという指標を用いることができる。リンクバジェットは、許容パスロスとも呼ばれ、無線端末間（例えばＰＨＳ端末と基地局との間）で許容される伝搬ロスを数値で表したものであり、無線端末や基地局の送信電力、アンテナ利得、アンテナ高、伝送損失、干渉損失、フェージング・マージン等のパラメータに基づいて決まる。

無線通信の確立においては、リンクバジェットを上げることで、電波環境の変化による通信品質の劣化に対する耐性を高めることができる。このようなリンクバジェットは、無線端末の送信電力を上げたり、アンテナの本数を増やしてアレイゲインを上げたりすることで改善することができる。しかし、送信電力は規格によって上限が定められ、また、アンテナを増やしたりノイズ耐性の高い半導体を採用したりすると占有体積およびコストの増大を招いてしまう。そこで、新たな機構の追加を伴うことなくリンクバジェットの改善を図る検討が為されている。

例えば、通信経路において、ＲＦ回路のアナログフィルタの帯域幅を変更することで近接する妨害信号の有無を検出し、妨害信号の有無によって変更した帯域幅を維持するかどうかを決める技術が提案されている（例えば、特許文献１）。しかし、その目的は突発的に生じる妨害信号の除去に留まり、定常的なノイズを除去できず、リンクバジェット改善には至らなかった。また、妨害信号の有無を検出するまでに長時間を要し、短時間での処理完了が望まれる無線通信の確立時には適用することができなかった。

ここでノイズは、ボルツマン定数ｋ、絶対温度Ｔ、帯域幅Ｂを用いたｋＴＢで表される熱雑音と受信機の雑音指数（ＮＦ）を示し、帯域幅Ｂに比例する。上述した妨害信号の有無を検出する技術では、帯域幅Ｂを狭くしているので見かけ上熱雑音が下がり、結果としてノイズ（熱雑音＋ＮＦ）も下がるかもしれないが、それに比例して信号Ｓのレベルも下がってしまうので、信号対雑音比は依然として改善されないこととなる。
特開２００５−１５１０１１号公報

上述した適応変調を用いる無線通信システムの場合、通信を確立する際には、まず比較的通信レートの低い（変調効率の低い）予め定められた開始変調方式が選択され、その変調方式においても通信品質が低いと、より低い通信レートの変調方式が選択され通信品質の維持が図られる。しかし、準備された変調方式のうち通信レートが最も低い変調方式に至った場合においてもなお通信確立に十分な通信品質ではないと判断されると、最早無線通信の確立は断念せざるを得ない。

本発明は、このような課題に鑑み、新たな機構の追加を伴わない簡易な構成により、送信電力を維持しつつ信号対雑音比を上げることでリンクバジェットを改善し、通信確立時の通信品質の安定性確保および通信可能範囲の拡大を図ることが可能な無線通信システム、無線送信装置、無線受信装置、および無線通信確立方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の代表的な構成は、無線送信装置と、無線送信装置からの制御信号によって無線送信装置と無線通信を確立する無線受信装置とからなる無線通信システムであって、無線送信装置は、通過帯域幅が相異する複数の送信帯域通過フィルタと、無線受信装置からの帯域幅切換要求に応じて、変調された制御信号を通過させる送信帯域通過フィルタを複数の送信帯域通過フィルタの中で切り換える送信フィルタ切換部と、送信帯域通過フィルタを通過した制御信号を、送信帯域通過フィルタの切換に拘わらず所定の送信電力で無線受信装置に送信する送信回路と、無線受信装置からの通信確立要求に応じて、無線受信装置との無線通信を確立する通信確立実行部と、を備え、無線受信装置は、無線送信装置からの制御信号を受信する受信回路と、通過帯域幅が相異する複数の受信帯域通過フィルタと、受信回路で受信された制御信号の通信品質を導出する通信品質導出部と、導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、通過帯域幅の切換を要する場合に無線送信装置に帯域幅切換要求を送信すると共に、制御信号を通過させる受信帯域通過フィルタを複数の受信帯域通過フィルタの中で切り換える受信フィルタ切換部と、導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、通過帯域幅の切り換えが不要な場合、無線送信装置に通信確立要求を送信する通信確立要求部と、を備えることを特徴とする。

本発明では、通信品質が通信確立に十分ではないことを検出すると帯域通過フィルタを通常の帯域より狭い帯域に変更する。このような送信電力を維持しつつ帯域通過フィルタの通過帯域幅を変更するといった簡易な構成のみで信号対雑音比を上げることができ、リンクバジェットを改善し、通信確立時の通信品質の安定性を確保することが可能となる。また、一般的に通信品質が低いとされる、基地局から離れた位置においても通信品質を向上することができるので、通信可能範囲の拡大を図ることも可能となる。

無線受信装置は、導出された通信品質に応じて変調方式の切換の要否を判断し、変調方式の切換を要する場合に無線送信装置に変調方式切換要求を送信する変調方式切換要求部をさらに備え、無線送信装置は、無線受信装置からの変調方式切換要求に応じて、制御信号の変調方式を切り換える変調方式切換部をさらに備え、変調方式切換要求部は、送信帯域通過フィルタおよび受信帯域通過フィルタの通過帯域幅が最も狭い場合において通信品質が低いときに、通信レートがより低い変調方式に切り換えてもよい。

ここでは、変調方式を切り換えると共に、同一の変調方式においてさらに帯域通過フィルタの通過帯域幅を切り換えるので、通信品質を小刻みに変更することができ、適応変調と通過帯域幅切換との連携によって最適なリンクバジェットを導出し、通信確立時の通信品質の安定性を確保することが可能となる。

無線受信装置は、導出された通信品質に応じて変調方式の切換の要否を判断し、変調方式の切換を要する場合に無線送信装置に変調方式切換要求を送信する変調方式切換要求部をさらに備え、無線送信装置は、無線受信装置からの変調方式切換要求に応じて、制御信号の変調方式を切り換える変調方式切換部をさらに備え、受信フィルタ切換部は、通信レートが最も低い変調方式において通信品質が低いときに、より狭い通過帯域幅を有する受信帯域通過フィルタに切り換えてもよい。

本発明では、通信レートが最も低い変調方式が選択されている状況下でさらに通信品質が低いことを検出したとき、受信フィルタ切換部によって狭帯域の帯域通過フィルタが選択される。かかる構成により、従来の通信可能範囲における適応変調機能を維持しつつ、通信確立時における通信可能範囲の拡大を図ることが可能となる。

無線受信装置は、無線通信の前回切断時における受信帯域通過フィルタの通過帯域幅および変調方式を記憶する状態記憶部をさらに備え、通信確立要求部は、状態記憶部に記憶された変調方式が予め定められた開始変調方式と通信レートが同じまたは低い変調方式であった場合、記憶された通過帯域幅および変調方式で今回の通信確立要求を開始してもよい。

無線受信装置の電源切断および電源投入は、自宅や会社等ほぼ同じ位置、即ち同じ電波環境下で行われることがある。本発明では、電源切断時における変調方式が所定の開始変調方式と通信レートが同じまたは低い、即ち通信確立時に許容される変調方式であれば、その記憶された通過帯域幅および変調方式をそのまま電源投入時に利用することで早期の通信確立を図ることが可能となる。

送信帯域通過フィルタおよび受信帯域通過フィルタはデジタルフィルタであってもよい。

このような狭帯域化を、電気的な接点切換を伴わないＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やソフトウェア等によるデジタルフィルタで実現することで、占有体積やコストの増加を伴うことなく、信頼性および帯域設定の柔軟性を向上することができる。

本発明の無線送信装置の代表的な構成は、通過帯域幅が相異する複数の送信帯域通過フィルタと、無線受信装置からの帯域幅切換要求に応じて、変調された制御信号を通過させる送信帯域通過フィルタを複数の送信帯域通過フィルタの中で切り換える送信フィルタ切換部と、送信帯域通過フィルタを通過した制御信号を、送信帯域通過フィルタの切換に拘わらず所定の送信電力で無線受信装置に送信する送信回路と、無線受信装置からの通信確立要求に応じて、無線受信装置との無線通信を確立する通信確立実行部と、を備えることを特徴とする。

本発明の無線受信装置の代表的な構成は、無線送信装置からの制御信号を受信する受信回路と、通過帯域幅が相異する複数の受信帯域通過フィルタと、受信回路で受信された制御信号の通信品質を導出する通信品質導出部と、導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、通過帯域幅の切換を要する場合に無線送信装置に帯域幅切換要求を送信すると共に、制御信号を通過させる受信帯域通過フィルタを複数の受信帯域通過フィルタの中で切り換える受信フィルタ切換部と、導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、通過帯域幅の切り換えが不要な場合、無線送信装置に通信確立要求を送信する通信確立要求部と、を備えることを特徴とする。

本発明の他の代表的な構成は、無線送信装置と、無線送信装置からの制御信号によって無線送信装置と無線通信を確立する無線通信確立方法であって、無線受信装置は、無線送信装置からの制御信号を受信し、受信された制御信号の通信品質を導出し、導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、通過帯域幅の切換を要する場合に無線送信装置に帯域幅切換要求を送信すると共に、制御信号を通過させる受信帯域通過フィルタを通過帯域幅が相異する複数の受信帯域通過フィルタの中で切り換え、通過帯域幅の切り換えが不要な場合、無線送信装置に通信確立要求を送信し、無線送信装置は、無線受信装置からの帯域幅切換要求に応じて、変調された制御信号を通過させる送信帯域通過フィルタを通過帯域幅が相異する複数の送信帯域通過フィルタの中で切り換え、送信帯域通過フィルタを通過した制御信号を、送信帯域通過フィルタの切換に拘わらず所定の送信電力で無線受信装置に送信し、無線受信装置からの通信確立要求に応じて、無線受信装置との無線通信を確立することを特徴とする。

上述した無線通信システムにおける技術的思想に対応する構成要素やその説明は、当該無線送信装置、無線受信装置、無線通信確立方法にも適用可能である。

以上説明したように本発明は、新たな機構の追加を伴わない簡易な構成により、送信電力を維持しつつ信号対雑音比を上げることでリンクバジェットを改善し、通信確立時の通信品質の安定性確保および通信可能範囲の拡大を図ることが可能となる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

適応変調の下では、通信を確立する際、まず比較的通信レートの低い予め定められた開始変調方式が選択され、その変調方式においても通信品質が低いと、より低い通信レートの変調方式が選択され通信品質の維持が図られる。しかし、通信レートが最も低い変調方式に至ってもなお通信品質が低いと、最早無線通信を確立することができなくなる。以下の実施形態では、このような無線通信の確立が困難と考えられる電波環境下であっても、無線通信を確立させることが可能となる。

本実施形態の無線送信装置や無線受信装置は、それぞれ１つの装置に一体的に構成され得る。ここでは無線送信装置や無線受信装置を共に備える装置として携帯端末や基地局を挙げてその機能を説明する。上記携帯端末と、所定間隔をおいて固定配置される基地局とは双方向に無線通信を行う無線通信システムを構築している。ここでは、理解を容易にするため無線通信システム全体を説明し、その後、携帯端末としてのＰＨＳ端末および基地局の具体的構成を説明する。

また、ここでは、携帯端末としてＰＨＳ端末を挙げているが、かかる場合に限らず、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、デジタルカメラ、音楽プレイヤー、カーナビゲーション、ポータブルテレビ、ゲーム機器、ＤＶＤプレイヤー、リモートコントローラ等無線通信可能な様々な電子機器を携帯端末として用いることもできる。

（無線通信システム１００）
図１は、無線通信システム１００の概略的な接続関係を示した説明図である。当該無線通信システム１００は、ＰＨＳ端末１１０（１１０Ａ、１１０Ｂ）と、基地局１２０（１２０Ａ、１２０Ｂ）と、ＩＳＤＮ（Integrated Services Digital Network）回線、インターネット、専用回線等で構成される通信網１３０と、中継サーバ１４０とを含んで構成される。

上記無線通信システム１００において、ユーザが自身のＰＨＳ端末１１０Ａから他のＰＨＳ端末１１０Ｂへの通信回線の接続を行う場合、ＰＨＳ端末１１０Ａは、通信可能範囲内にある基地局１２０Ａに無線接続要求を行う。無線接続要求を受信した基地局１２０Ａは、通信網１３０を介して中継サーバ１４０に通信相手との通信接続を要求し、中継サーバ１４０は、位置登録情報を参照して、他のＰＨＳ端末１１０Ｂの無線通信範囲内にある例えば基地局１２０Ｂを選択して基地局１２０Ａと基地局１２０Ｂとの通信経路を確保し、ＰＨＳ端末１１０ＡとＰＨＳ端末１１０Ｂの通信を確立する。

このような無線通信システム１００における無線通信の確立時には、ＰＨＳ端末１１０と基地局１２０との通信品質を維持しつつ、通信環境の変化に応じて適応的に変調方式を変える適応変調を用いることができる。かかる適応変調は、ＰＨＳ端末１１０から基地局１２０に送信される上り送信データの信号対雑音比（以下単にＳＮＲと呼ぶ。）やフレームエラーレート（以下単にＦＥＲと呼ぶ。）に基づいてＰＨＳ端末１１０と基地局１２０との間の通信環境を推測し、より良い通信環境の下ではより高い通信レートを有する変調方式を選択し、通信環境の悪い状況下では低い通信レートを有する変調方式を選択して、安定した無線通信を実施する方式である。

本実施形態においては、さらに、信号の有効帯域幅を、基準となる帯域幅より狭くすることでＳＮＲを上げ、リンクバジェットを改善することができる。例えば、無線通信システム１００において、基地局１２０と離れ通信可能範囲を超えている位置では上述した適応変調のみによる無線通信の確立はできなくなる。しかし、上述したＰＨＳ端末１１０ＡとＰＨＳ端末１１０Ｂのように音声通話といった高速データ伝送が不要な無線通信であれば帯域幅を狭めたとしても通信接続を有効に開始することができる。従って、無線通信システム１００においては、送信電力を維持しつつ信号伝達経路における帯域通過フィルタの帯域幅を変更することで通信確立時の通信品質の安定性確保および通信可能範囲の拡大を図る。

（ＰＨＳ端末１１０）
図２は、ＰＨＳ端末１１０のハードウェア構成を示した機能ブロック図であり、図３は、ＰＨＳ端末１１０の外観を示した斜視図である。ＰＨＳ端末１１０は、端末制御部１６０と、端末メモリ１６２と、表示部１６４と、操作部１６６と、音声入力部１６８と、音声出力部１７０と、端末無線通信部１７２とを含んで構成される。

端末制御部１６０は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路によりＰＨＳ端末１１０全体を管理および制御する。さらに、端末制御部１６０は、端末メモリ１６２のプログラムを用いて、通話機能、メール送受信機能、撮像機能、音楽再生機能、ＴＶ視聴機能も遂行する。端末メモリ１６２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成され、端末制御部１６０で処理されるプログラムや音声データ等を記憶する。

表示部１６４は、液晶ディスプレイ、ＥＬ(Electro Luminescence)等で構成され、端末メモリ１６２に記憶された、または通信網１３０を介してアプリケーション中継サーバ（図示せず）から提供される、ＷｅｂブラウザやアプリケーションのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示することができる。操作部１６６は、キーボード、十字キー、ジョイスティック等のスイッチから構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。

音声入力部１６８は、マイク等の音声認識手段で構成され、通話時に入力されたユーザの音声をＰＨＳ端末１１０内で処理可能な電気信号に変換する。音声出力部１７０は、スピーカで構成され、ＰＨＳ端末１１０で受信した通話相手の音声信号を音声に変えて出力する。また、着信音や、操作部１６６の操作音、アラーム音等も出力できる。

端末無線通信部１７２は、基地局１２０との無線通信を行う。このような無線通信としては、基地局１２０内でフレームを時分割した複数のタイムスロットをそれぞれＰＨＳ端末１１０のチャネルに割り当てて通信を行う時分割多重方式（ＴＤＭ：Time Division Multiplex）等が採用されている。端末無線通信部１７２の詳細な動作は後程詳述する。

（基地局１２０）
図４は、基地局１２０の概略的な構成を示したブロック図である。基地局１２０は、基地局制御部１８０と、基地局メモリ１８２と、基地局無線通信部１８４と、基地局有線通信部１８６とを含んで構成される。

基地局制御部１８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により基地局１２０全体を管理および制御する。基地局制御部１８０は、基地局メモリ１８２のプログラムを用いて、ＰＨＳ端末１１０との無線通信や他のＰＨＳ端末１１０への通信接続要求等を実行する。基地局メモリ１８２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成され、基地局制御部１８０で処理されるプログラム等を記憶する。

基地局無線通信部１８４は、ＰＨＳ端末１１０との通信を確立する。基地局無線通信部１８４の詳細な動作は後程詳述する。基地局有線通信部１８６は、通信網１３０を介して中継サーバ１４０を含む様々なサーバと接続することができる。

（端末無線通信部１７２、基地局無線通信部１８４）
図５は、端末無線通信部１７２および基地局無線通信部１８４の詳細な機能を示したブロック図である。端末無線通信部１７２および基地局無線通信部１８４の送信ベースバンド制御部２００は、送信する信号を変調しベースバンド帯域内で処理する。また、送信ベースバンド制御部２００は送信電力を所定のレベルに保つ働きを担う。かかるベースバンド制御部２００の詳細な機能は後程詳述する。送信ベースバンド制御部２００で処理されたデジタル信号は、送信回路１９０としてのＤ／Ａコンバータ２０２および増幅器２０４を通じて実際のアナログ波形に変形される。そして、かかるアナログ波形のスプリアスやアンチエイリアシングノイズを除去するため１次ＩＦ−ＢＰＦ（Intermediate Frequency - Band Pass Filter）２０６を通じ、乗算器２０８でＩＦ局部発振器２１０からの中間信号と乗算し、増幅器２１２で増幅する。ＩＦ局部発振器２１０では、基準発振器２１４からの基準信号から中間周波数を有する中間信号を生成している。

そして、２次ＩＦ−ＢＰＦ２１６を通じた信号を乗算器２１８で送信ＲＦ局部発振器２２０からの送信周波数と乗算（拡散）し、ＲＦ（Radio Frequency）−ＢＰＦ２３２、増幅器２３４を介して送受信切り換えスイッチ２３８に送信される。また、送受信切り換えスイッチ２３８は、増幅器２３４からの送信信号を通信先に送信する。

送信ＲＦ局部発振器２２０は、後述する受信ＲＦ局部発振器２５６と共に局部発振器を構成し、送信ベースバンド制御部２００に応じて基準発振器２１４からの基準信号を送信用のローカル信号に変更する。

送受信切り換えスイッチ２３８は、増幅器２３４の信号を受け、アンテナ２４０への無線信号を制御しつつ、アンテナ２４０からの信号を受信し、受信系の電気回路に送信する。

通信先からの信号を受信した送受信切り換えスイッチ２３８は、その受信信号を受信回路１９２としての増幅器２５０に伝達する。増幅器２５０から出力された受信信号は、ＲＦ−ＢＰＦ２５２を通じ乗算器２５４で受信ＲＦ局部発振器２５６からの受信用のローカル信号に除算（逆拡散）され、中間周波数に落とされる。そして、増幅器２５８および１次ＩＦ−ＢＰＦ２６０を通じて、乗算器２６２で、ＩＦ局部発振器２１０からの中間信号で除算され、増幅器２６４および２次ＩＦ−ＢＰＦ２６６を介してＡ／Ｄコンバータ２６８によってデジタル化される。受信ベースバンド制御部２７０は、このようにデジタル化された受信信号をベースバンド帯域内で処理する。かかる受信ベースバンド制御部２７０の詳細な機能は後程詳述する。

（送信ベースバンド制御部２００、受信ベースバンド制御部２７０）
図６は、送信ベースバンド制御部２００および受信ベースバンド制御部２７０の概略的な構成を示した機能ブロック図である。ここでは、信号の流れに関する理解を容易にするため通信を確立している２つの装置、例えば基地局１２０の送信ベースバンド制御部２００と、ＰＨＳ端末１１０の受信ベースバンド制御部２７０とに着目して説明する。

送信ベースバンド制御部２００や受信ベースバンド制御部２７０は、それぞれまたは共に、ＦＰＧＡやＰＬＤ（Programmable Logic Device）といったプログラミング可能な集積回路内に構成され、送信ベースバンド制御部２００は、変調部３０８、送信帯域通過フィルタ３１０、送信フィルタ切換部３１２、変調方式切換部３１４、通信確立実行部３１６として機能し、受信ベースバンド制御部２７０は、受信帯域通過フィルタ３５０、復調部３５２、通信品質導出部３５４、受信フィルタ切換部３５６、変調方式切換要求部３５８、通信確立要求部３６０、状態記憶部３６２として機能する。

変調部３０８は、後述する変調方式切換部３１４によって設定または切り換えられた変調方式に従って送信すべき制御信号を変調する。

送信帯域通過フィルタ（送信ＢＰＦ）３１０は、通過帯域幅を異ならせて複数準備され、後述する送信フィルタ切換部３１２からの指示により、いずれか１つに、変調部３０８で変調された制御信号を入力し送信回路１９０に出力する。

かかる送信帯域通過フィルタ３１０および後述する受信帯域通過フィルタ３５０の通過帯域幅は、それぞれ例えば、規格による３００ｋＨｚと、その１／２に相当する１５０ｋＨｚと、１／３に相当する１００ｋＨｚとする。例えば、通過帯域幅を３００ｋＨｚから１５０ｋＨｚに変更すると、送信電力を維持したまま帯域内のノイズ、特に熱雑音を１／２に低減できるので、ＳＮＲを３ｄＢ改善することができる。

図７は、通過帯域幅を１／２に狭めたときのＳＮＲの変化を説明するための説明図である。送信電力は、１Ｈｚあたりの電力と帯域幅との積で表すことができるので、通過帯域幅が３００ｋＨｚのときの送信電力は電力量３８０のようになる。ここで、送信電力を維持したまま、即ち出力と帯域幅との積（面積）を変えずに通過帯域幅を１５０ｋＨｚとすると、出力が２倍になって電力量３８２のようになる。このとき、ノイズ（熱雑音＋受信機の雑音指数（ＮＦ））３８４は、通過帯域幅の変化によっても出力が変化することがないので１／２となり、ＳＮＲは２倍（３ｄＢ増）となる。

ＳＮＲが３ｄＢ増加して例えば１０ｄＢとなった場合、図６に示すようなダウンリンクのリンクバジェットは、基地局１２０からの送信電力＋基地局アンテナ利得＋端末アンテナ利得−端末受信感度（所要ＳＮＲ＋熱雑音＋ＮＦ）で表され、例えば送信電力３０［ｄＢｍ］＋基地局アンテナ利得１０［ｄＢｉ］＋端末アンテナ利得４［ｄＢｉ］−端末受信感度（所要ＳＮＲ１０［ｄＢ］＋熱雑音−１００［ｄＢｍ］＋受信機のＮＦ４［ｄＢ］））＝１３０［ｄＢ］となる。

また、送信帯域通過フィルタ３１０および後述する受信帯域通過フィルタ３５０は、送信ベースバンド制御部２００や受信ベースバンド制御部２７０においてデジタルフィルタで実現される。本実施形態における特徴的な狭帯域化を、電気的な接点切換を伴わないＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やソフトウェア等によるデジタルフィルタで実現することで、占有体積やコストの増加を伴うことなく、信頼性および帯域設定の柔軟性を向上することができる。

送信フィルタ切換部３１２は、ＰＨＳ端末１１０からの帯域幅切換要求に応じて、送信帯域通過フィルタ３１０を切り換え、制御信号の通過帯域幅を変更する。

本実施形態では、音声通話や、高速データ伝送が不要な状況下の通信確立時において、通信品質が通信確立に十分ではないことを検出すると送信帯域通過フィルタ３１０および受信帯域通過フィルタ３５０を通常の帯域幅より狭い帯域幅に変更する。このような送信電力を維持しつつ送信帯域通過フィルタ３１０および受信帯域通過フィルタ３５０の通過帯域幅を変更するといった簡易な構成のみで信号対雑音比を上げることができ、リンクバジェットを改善し、通信確立時の通信品質の安定性を確保することが可能となる。

また、一般的に通信品質が低くなる、基地局１２０から離れた位置においても通信品質を向上することができるので、通信可能範囲の拡大を図ることも可能となる。さらに、基地局１つ１つの通信可能範囲が広くなるということは、所定範囲の無線通信をカバーするための基地局１２０の密度を低くすることが可能なことを示す。

変調方式切換部３１４は、ＰＨＳ端末１１０からの変調方式切換要求に応じて、制御信号の変調方式を切り換える。変調方式としては、例えば、ＢＰＳＫ（２値位相変調：Binary Phase Shift Keying）、ＱＰＳＫ（４相位相変調：Quadrature PSK）、８ＰＳＫ（８相直交振幅変調）、１６ＱＡＭ（16 Quadrature Amplitude Modulation）、３２ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、１２８ＱＡＭ、２５６ＱＡＭが準備され、伝送品質、特に伝送速度が、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、８ＰＳＫ、１６ＱＡＭ、３２ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、１２８ＱＡＭ、２５６ＱＡＭの順に高くなる。かかる変調方式のうち本実施形態における通信確立時にはＢＰＳＫとＱＰＳＫが用いられる。特に、後述する状態記憶部３６２を有さない構成においては予め定められた開始変調方式としてＱＰＳＫが適用される。

通信確立実行部３１６は、ＰＨＳ端末１１０からの通信確立要求に応じて、ＰＨＳ端末１１０との無線通信を確立する。

受信帯域通過フィルタ（受信ＢＰＦ）３５０は、通過帯域幅を異ならせて複数準備され、後述する受信フィルタ切換部３５６からの指示により、いずれか１つに、受信回路１９２で受信された制御信号を通過させて復調部３５２に伝送する。

復調部３５２は、受信帯域通過フィルタ３５０を通過した制御信号を、後述する変調方式切換要求部３５８の指示による変調方式に従って復調する。

通信品質導出部３５４は、復調部３５２で復調された制御信号の通信品質を導出する。通信品質は、ＦＥＲ（Frame Error Rate）、ＢＥＲ（Bit Error Rate）、ＳＮＲ等によってその優劣を判断できる。

受信フィルタ切換部３５６は、通信品質導出部３５４で導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、通過帯域幅の切換を要すると判断した場合に基地局１２０に帯域幅切換要求をフラグ等を用いて送信すると共に、当該ＰＨＳ端末１１０の受信帯域通過フィルタ３５０を切り換える。例えば、通信品質導出部３５４がＦＥＲによって通信品質を判断する場合、２０％を超えると通過帯域幅がより狭くなるように切り換える。かかる通過帯域幅の切換タイミングは所定の相対時刻、例えばフレーム番号等を伝達して基地局１２０とＰＨＳ端末１１０とで同期される。

受信フィルタ切換部３５６は、特に、通信レートが最も低い変調方式において通信品質が低いときに、より狭い通過帯域幅を有する受信帯域通過フィルタ３５０に切り換える。本実施形態では、通信レートが最も低い変調方式、例えばＢＰＳＫが選択されている状況下でさらに通信品質導出部３５４が、通信品質が低いことを検出したとき、受信フィルタ切換部３５６によって狭帯域の帯域通過フィルタが選択される。かかる構成により、従来の通信可能範囲における適応変調機能を維持しつつ、通信確立時における通信可能範囲の拡大を図ることが可能となる。

変調方式切換要求部３５８は、通信品質導出部３５４で導出された通信品質に応じて変調方式の切換の要否を判断し、変調方式の切換を要する場合に基地局１２０に変調方式切換要求を送信する。

例えば、変調方式切換要求部３５８は、送信帯域通過フィルタ３１０および受信帯域通過フィルタ３５０の通過帯域幅が最も狭い場合においても通信品質が低いときに通信レートがより低い変調方式に切り換える。ここでは、変調方式を切り換えると共に、同一の変調方式においてさらに送信帯域通過フィルタ３１０および受信帯域通過フィルタ３５０の通過帯域幅を切り換えるので、通信品質を小刻みに変更することができ、適応変調と通過帯域幅切換との連携によって最適なリンクバジェットを導出し、通信品質の安定性を確保することが可能となる。

通信確立要求部３６０は、通信品質導出部３５４によって導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、通過帯域幅の切り換えが不要な場合、即ち、最適なリンクバジェットが導出されると基地局１２０に通信確立要求を送信する。

状態記憶部３６２は、無線通信の前回切断時における受信帯域通過フィルタ３５０の通過帯域幅および変調方式を記憶する。ここで、通信確立要求部３６０は、状態記憶部３６２に記憶された変調方式が予め定められた開始変調方式、即ちＱＰＳＫと通信レートが同じまたは低い変調方式、即ちＱＰＳＫまたはＢＰＳＫであった場合、記憶された通過帯域幅および変調方式で今回の通信確立要求を開始する。

ＰＨＳ端末１１０の電源切断および電源投入は、自宅や会社等ほぼ同じ位置、即ち同じ電波環境下で行われることがある。本実施形態では、電源切断時における変調方式が所定の開始変調方式と通信レートが同じまたは低い、即ち通信確立時に許容される変調方式であれば、その記憶された通過帯域幅および変調方式をそのまま電源投入時に利用することで早期の通信確立を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、図６における基地局１２０からＰＨＳ端末１１０への通信経路とＰＨＳ端末１１０から基地局１２０への経路がそれぞれ独立して制御されている。即ち、基地局１２０のみに着目すると送信帯域通過フィルタ３１０と受信帯域通過フィルタ３５０との通過帯域幅はそれぞれ独立して制御され、それぞれにおいてリンクバジェットが改善される。従って、結果的にアップリンクおよびダウンリンクのリンクバジェットは所定範囲内で安定し、バランスがとれる。また、両者のリンクバジェットの差分を補償するように通過帯域幅および変調方式をそれぞれ独立して変更することも可能である。こうして、最小限の切換動作で本実施形態の効果を効率的に得ることができる。

（無線通信確立方法）
図８は、ＰＨＳ端末１１０と基地局１２０とを用いた無線通信確立方法の具体的な処理の流れを説明するためのフローチャートである。かかるフローチャートでは特に無線受信装置としてのＰＨＳ端末１１０の処理の流れが示されている。

無線通信の確立に際して、無線送信装置としての基地局１２０からＱＰＳＫ（開始変調方式）で変調された制御信号が出力されると、ＰＨＳ端末１１０の受信回路１９２は、その制御信号を受信し（Ｓ４００）、通信品質導出部３５４が受信された制御信号の通信品質を導出する（Ｓ４０２）。

そして導出された通信品質が低い場合または高い場合に応じて通過帯域幅および変調方式の切換要否が判断される。まず、通信品質が低いかどうかが、ＦＥＲが２０％を超えたかどうかで判断され（Ｓ４１０）、２０％以上であると判断されると、さらに現在の送信帯域通過フィルタ３１０および受信帯域通過フィルタ３５０の通過帯域幅の設定が最も狭い（例えば１００ｋＨｚ）となっているかどうか判断され（Ｓ４１２）、最も狭くなければ通過帯域幅がより狭くなるように基地局１２０に帯域幅切換要求を送信すると共に、自体の受信帯域通過フィルタ３５０を切り換える（Ｓ４１４）。

通過帯域幅の設定が最も狭くなっていれば（Ｓ４１２の「ＹＥＳ」）、通信レートが最も低い変調方式（例えばＢＰＳＫ）が既に選択されているかどうか判断され（Ｓ４１６）、選択されていなければ、通信レートがより低い変調方式に切り換える変調方式切換要求と、最も広い通過帯域幅（例えば、３００ｋＨｚ）に切り換える帯域幅切換要求を基地局１２０に送信する（Ｓ４１８）。

そして、通信品質が、通信確立が可能な程度に高くなると（Ｓ４１０の「ＮＯ」）、通信確立要求部３６０が基地局１２０に対して通信確立要求を送信し（Ｓ４２０）、通信が確立される。

ここでは、変調方式毎に通過帯域幅を変更しているが、通信レートが最も低い変調方式、例えばＢＰＳＫにおいてのみ本実施形態の通過帯域幅の切り換えを適用するとしてもよい。

かかる無線通信確立方法においても、送信電力を維持しつつ信号対雑音比を上げることでリンクバジェットを改善し、通信品質の安定性確保および通信可能範囲の拡大を図ることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態においては、予め複数準備された帯域通過フィルタを切り換える構成を述べているが、かかる場合に限られず、通過帯域幅をリアルタイムに変更可能な可変帯域通過フィルタを用いることで、通信品質に応じてリニアに通過帯域幅を操作でき、さらなる通信品質の安定性を確保することができる。

また、上述した実施形態においては、通過帯域幅の例として３００ｋＨｚ、１５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚの３つを上げているが、かかる数値に限られず、あらゆる通過帯域幅をとることができる。また、帯域通過フィルタの数も制限されない。

なお、本明細書の無線通信確立方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、無線送信装置からの制御信号を無線受信装置で受信し、無線通信を確立する無線通信システム、無線端末、基地局および無線通信確立方法に利用することができる。

無線通信システムの概略的な接続関係を示した説明図である。 ＰＨＳ端末のハードウェア構成を示した機能ブロック図である。 ＰＨＳ端末の外観を示した斜視図である。 基地局の概略的な構成を示したブロック図である。 端末無線通信部および基地局無線通信部の詳細な機能を示したブロック図である。 送信ベースバンド制御部および受信ベースバンド制御部の概略的な構成を示した機能ブロック図である。 通過帯域幅を１／２に狭めたときのＳＮＲの変化を説明するための説明図である。 無線通信確立方法の具体的な処理の流れを説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１００ …無線通信システム
１１０ …ＰＨＳ端末
１２０ …基地局
１９０ …送信回路
１９２ …受信回路
２００ …送信ベースバンド制御部
２７０ …受信ベースバンド制御部
３１０ …送信帯域通過フィルタ
３１２ …送信フィルタ切換部
３１４ …変調方式切換部
３１６ …通信確立実行部
３５０ …受信帯域通過フィルタ
３５４ …通信品質導出部
３５６ …受信フィルタ切換部
３５８ …変調方式切換要求部
３６０ …通信確立要求部
３６２ …状態記憶部

Claims (8)

1. 無線送信装置と、該無線送信装置からの制御信号によって該無線送信装置と無線通信を確立する無線受信装置とからなる無線通信システムであって、
   前記無線送信装置は、
   通過帯域幅が相異する複数の送信帯域通過フィルタと、
   前記無線受信装置からの帯域幅切換要求に応じて、変調された制御信号を通過させる送信帯域通過フィルタを前記複数の送信帯域通過フィルタの中で切り換える送信フィルタ切換部と、
   前記送信帯域通過フィルタを通過した制御信号を、該送信帯域通過フィルタの切換に拘わらず所定の送信電力で前記無線受信装置に送信する送信回路と、
   前記無線受信装置からの通信確立要求に応じて、該無線受信装置との無線通信を確立する通信確立実行部と、
   を備え、
   前記無線受信装置は、
   前記無線送信装置からの制御信号を受信する受信回路と、
   通過帯域幅が相異する複数の受信帯域通過フィルタと、
   前記受信回路で受信された制御信号の通信品質を導出する通信品質導出部と、
   前記導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、該通過帯域幅の切換を要する場合に前記無線送信装置に帯域幅切換要求を送信すると共に、前記制御信号を通過させる受信帯域通過フィルタを前記複数の受信帯域通過フィルタの中で切り換える受信フィルタ切換部と、
   前記導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、該通過帯域幅の切り換えが不要な場合、前記無線送信装置に通信確立要求を送信する通信確立要求部と、
   を備えることを特徴とする無線通信システム。
2. 前記無線受信装置は、前記導出された通信品質に応じて変調方式の切換の要否を判断し、該変調方式の切換を要する場合に前記無線送信装置に変調方式切換要求を送信する変調方式切換要求部をさらに備え、
   前記無線送信装置は、前記無線受信装置からの変調方式切換要求に応じて、前記制御信号の変調方式を切り換える変調方式切換部をさらに備え、
   前記変調方式切換要求部は、前記送信帯域通過フィルタおよび受信帯域通過フィルタの通過帯域幅が最も狭い場合において通信品質が低いときに、通信レートがより低い変調方式に切り換えることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記無線受信装置は、前記導出された通信品質に応じて変調方式の切換の要否を判断し、該変調方式の切換を要する場合に前記無線送信装置に変調方式切換要求を送信する変調方式切換要求部をさらに備え、
   前記無線送信装置は、前記無線受信装置からの変調方式切換要求に応じて、前記制御信号の変調方式を切り換える変調方式切換部をさらに備え、
   前記受信フィルタ切換部は、通信レートが最も低い変調方式において通信品質が低いときに、より狭い通過帯域幅を有する受信帯域通過フィルタに切り換えることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
4. 無線受信装置は、無線通信の前回切断時における受信帯域通過フィルタの通過帯域幅および変調方式を記憶する状態記憶部をさらに備え、
   前記通信確立要求部は、前記状態記憶部に記憶された変調方式が予め定められた開始変調方式と通信レートが同じまたは低い変調方式であった場合、該記憶された通過帯域幅および変調方式で今回の通信確立要求を開始することを特徴とする請求項２または３に記載の無線通信システム。
5. 前記送信帯域通過フィルタおよび受信帯域通過フィルタはデジタルフィルタであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の無線通信システム。
6. 通過帯域幅が相異する複数の送信帯域通過フィルタと、
   前記無線受信装置からの帯域幅切換要求に応じて、変調された制御信号を通過させる送信帯域通過フィルタを前記複数の送信帯域通過フィルタの中で切り換える送信フィルタ切換部と、
   前記送信帯域通過フィルタを通過した制御信号を、該送信帯域通過フィルタの切換に拘わらず所定の送信電力で前記無線受信装置に送信する送信回路と、
   無線受信装置からの通信確立要求に応じて、該無線受信装置との無線通信を確立する通信確立実行部と、
   を備えることを特徴とする無線送信装置。
7. 無線送信装置からの制御信号を受信する受信回路と、
   通過帯域幅が相異する複数の受信帯域通過フィルタと、
   前記受信回路で受信された制御信号の通信品質を導出する通信品質導出部と、
   前記導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、該通過帯域幅の切換を要する場合に前記無線送信装置に帯域幅切換要求を送信すると共に、前記制御信号を通過させる受信帯域通過フィルタを前記複数の受信帯域通過フィルタの中で切り換える受信フィルタ切換部と、
   前記導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、該通過帯域幅の切り換えが不要な場合、前記無線送信装置に通信確立要求を送信する通信確立要求部と、
   を備えることを特徴とする無線受信装置。
8. 無線送信装置と、該無線送信装置からの制御信号によって該無線送信装置と無線通信を確立する無線通信確立方法であって、
   前記無線受信装置は、
   前記無線送信装置からの制御信号を受信し、
   前記受信された制御信号の通信品質を導出し、
   前記導出された通信品質に応じて通過帯域幅の切換の要否を判断し、該通過帯域幅の切換を要する場合に前記無線送信装置に帯域幅切換要求を送信すると共に、前記制御信号を通過させる受信帯域通過フィルタを通過帯域幅が相異する複数の受信帯域通過フィルタの中で切り換え、該通過帯域幅の切り換えが不要な場合、前記無線送信装置に通信確立要求を送信し、
   前記無線送信装置は、
   前記無線受信装置からの帯域幅切換要求に応じて、変調された制御信号を通過させる送信帯域通過フィルタを通過帯域幅が相異する複数の送信帯域通過フィルタの中で切り換え、
   前記送信帯域通過フィルタを通過した制御信号を、該送信帯域通過フィルタの切換に拘わらず所定の送信電力で前記無線受信装置に送信し、
   前記無線受信装置からの通信確立要求に応じて、該無線受信装置との無線通信を確立することを特徴とする無線通信確立方法。

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