JP2010081550A

JP2010081550A - 無線基地局装置、無線通信方法

Info

Publication number: JP2010081550A
Application number: JP2008250683A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kimura; 貴幸木村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-09-29
Also published as: JP5167048B2

Abstract

【課題】基地局の送信電力レベルを変化させなくとも、無線端末における受信信号強度を最適化する。
【解決手段】無線基地局装置１は、無線端末１００からの受信する信号の受信レベルＤを取得する。受信レベルＤが閾値Ｂより大きければ、無線端末１００に対してヌルステアリング制御を行って無線端末１００方向に深いヌル点を形成し、受信レベルＤを抑制する。受信レベルＤが閾値Ｃより小さければ、ビームフォーミング制御を行って無線端末１００に対してビームを向け、受信レベルＤを向上させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、アレーアンテナシステムを採用した無線基地局装置などに関する。

アレーアンテナシステムとは、複数のアンテナを配列してなるアレーアンテナを備え、指向特性の適応制御を行って所定の放射パターンの送信ビームを形成するものである（例えば、特許文献１，２参照）。
アレーアンテナシステムでは、基地局は所望の無線端末にビームを向けるビームフォーミングを行うことで、遠方の無線端末とも良好な通信状態を確保できる。
特開2007-295626号公報特開2001-268004号公報

ところで、上記所望の無線端末が基地局の近くにあるなどの状況下では、この無線端末にビームを向けると、無線端末において受信する信号の受信信号強度（RSSI: Received Signal Strength Indication）が過大になってしまうことがある。
このような場合、受信信号強度を弱めるために、ビーム出力に係る送信電力レベルを低下させることも考えられるが、上記レベルを幅広く制御するためには、高価な回路部品（例えば、VGA(Variable Gain Amp),DAC(Digital Analog Converter)）の採用を迫られるという問題がある。

本発明はこのような背景の下になされたものであって、送信電力レベルを変化させなくとも、無線端末に送信する送信電力レベルを最適化できる無線基地局装置を提供する。

本発明に係る無線基地局装置は、アレーアンテナと、前記アレーアンテナの指向性を定めるためのビームの方向を制御する制御手段とを備える無線基地局装置であって、無線端末との間の信号強度を取得する取得手段を備え、前記制御手段は、前記取得手段により取得された信号強度が閾値を上回った場合に、前記無線端末が存在する方向とは異なる方向へビームを向けることを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記信号強度が閾値を上回った場合に、前記無線端末が存在する方向へとヌル点を向けるとしても構わない。
また、前記取得手段により取得された信号強度が、前記閾値より小さい第２閾値を下回る場合には、前記制御手段は、前記無線端末が存在する方向へとビームを向けるとしても構わない。

また、前記制御手段は、前記取得手段により取得された信号強度の値と最適値との差分を求め、この差分が大きいほど前記ヌル点を深くするとしても構わない。
また、本発明に係る無線通信方法は、アレーアンテナと、前記アレーアンテナの指向性を定めるためのビームの方向を制御する制御手段とを備える無線基地局装置における通信方法であって、無線端末との間の信号強度を取得するステップと、取得された信号強度が閾値を上回った場合に、前記無線端末が存在する方向とは異なる方向へビームを向けるステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る無線基地局装置によれば、無線端末が存在する方向とは異なる方向へビームを向けることで、無線端末がこの無線基地局装置から受信する信号の受信信号強度を抑えることができる。つまり、無線基地局装置の送信電力レベルを変化させなくとも、無線端末における受信信号強度を最適化できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
＜構成＞
図１は、基地局１の構成を示すブロック図である。
基地局１は、４本のアンテナ２ａ〜２ｄ、送受信切り替えスイッチ４、無線部６、変復調部１２、制御部１４、回線インターフェイス部２２を備える。

送受信切り替えスイッチ４は、アンテナ２ａ〜２ｄの送信と受信とを切り替える。
無線部６は、４本のアンテナ２ａ〜２ｄにそれぞれ対応して設けられた４つの送信部８ａ〜８ｄ及び４つの受信部１０ａ〜１０ｄを備える。
送信部８ａは、例えばＤ／Ａコンバータとアッパコンバータと電力増幅器などから構成されており、信号をＤ／Ａコンバータによりアナログ化して、アッパコンバータと電力増幅器を介して、対応するアンテナ２ａを介して信号を送信する。送信部８ｂ〜８ｄの構成も同様であり、それぞれ対応するアンテナ２ｂ〜２ｄを介して信号を送信する。

受信部１０ａは、例えばローノイズ増幅器とダウンコンバータとＡ／Ｄコンバータなどから構成されており、対応するアンテナ２ａを介して受信した信号を、ローノイズ増幅器を介してダウンコンバータに入力し、このダウンコンバータの出力をＡ／Ｄコンバータでデジタル化して変復調部１２に出力する。受信部１０ｂ〜１０ｄの構成も同様であり、それぞれ対応するアンテナ２ｂ〜２ｄを介して信号を受信する。

変復調部１２は、複数のＣＰＵから構成されており、送信信号／受信信号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、各アンテナ２ａ〜２ｄに供給する信号の位相を制御することによって、ある方向に指向性を持つビームを送信することを可能とする。
この位相制御は、送信部８ａ〜８ｄにそれぞれ重み付け係数を調整（設定）することで行われる。この重み付け係数の調整により、各々の送信ビームの放射パターンにおいて任意の方向にヌル点を形成することもできる。

なお、前述した「〜方向に指向性を持つビームを送信する」ことを以下では「〜方向にビームを向ける」と表現し、同様に「〜方向にヌル点を形成する」ことを「〜方向にヌル点を向ける」と表現する。
制御部１４は、図示しないＲＯＭに格納された制御プログラムを実行するＣＰＵから構成され、基地局１全体の制御を行う。

制御部１４は、信号強度取得部１６、送信パターン決定部１８、送信パターン制御部２０を備える。
信号強度取得部１６は、受信信号強度(以下、受信信号強度を「受信レベル」ということがある。)を示す情報、すなわち、制御チャネル信号の受信レベルや、通信チャネルの受信レベルを取得する。

この受信レベルは、基地局１に備わる測定器で測定したＲＳＳＩの値（または、変復調部１２における復調信号のレベル）であり、基地局１における受信レベルから無線端末１００における受信レベルを推算する。
送信パターン決定部１８は、信号強度取得部１６により取得された受信レベルに基づいて、無線端末が存在する方向にビームを向けるビームフォーミングか、無線端末が存在する方向へとヌル点を向けるヌルステアリングかを決定し、位相制御のための重み付け係数を調整する。特に、ヌルステアリングの場合には、この重み付け係数の調整によりヌル点の深さを決定する。

なお、信号強度取得部１６において通信する無線端末１００（図５参照）から（基地局１ではなく）無線端末１００における受信レベルを定期的に取得し、取得した受信レベルに基づいて送信パターン決定部１８において、ビームフォーミング／ヌルステアリングに係る基地局１における最適な送信電力レベルを決定するとしても構わない。
送信パターン制御部２０は、送信パターン決定部１８により設定された重み付け係数を用いて、位相制御を行いビームの放射パターンを制御する。

以上説明したように、基地局１においては、変復調部１２や制御部１４などによって、ビームフォーミング機能およびヌルステアリング機能が実現されることとなる。
＜動作＞
次に、本実施の形態の動作について、基地局１がＰＨＳ（Personal Handy-phone System）タイプの無線端末１００との間でデジタル無線通信を行う例を用いて説明する。

図２，図３は、ビームフォーミング／ヌルステアリングに関する処理を示すフローチャートである。図２のＳ１〜Ｓ６は制御チャネルの通信処理、図３のＳ１１〜Ｓ１７は通信チャネルの通信処理に対応している。
図２に示すように、制御部１４が無線端末１００からの通信要求有りと判断すると（S1:Yes）、信号強度取得部１６は制御チャネルの受信レベルＤを取得する。

送信パターン決定部１８は、この受信レベルＤが強電界閾値Ｂより大きければ（S2:D>B）、フラグを１に設定する（S3）。このフラグはビームフォーミング／ヌルステアリングを識別するものであり、０はビームフォーミング、１はヌルステアリングを示す。
そして、送信パターン決定部１８は、受信レベルＤと最適受信レベルＡとの差に基づいてヌルステアリングのための重み付け係数などを調整し、調整された重み付け係数を用いて、送信制御パターン制御部２０は端末への通信をヌルステアリングで開始する（S4）。

これに対して、受信レベルＤが強電界閾値Ｂより小さければ（S2:D<B）、送信パターン決定部１８はフラグを０に設定して重み付け係数を調整し（S5）、送信パターン制御部２０は、送信制御部パターン決定部１８により調整された重み付け係数を用いて、端末への通信をビームフォーミングで開始する（S6）。
続いて制御チャネルのフェーズを終えて通信チャネルに移行した後は、図３に示すように、信号強度取得部１６は通信チャネルの受信レベルＥを取得する（S11）。

受信レベルＥが、強電界閾値Ｂより大きければ（S11:E>B）、送信パターン決定部１８はフラグを判断する（S12）。フラグが０（ビームフォーミング）であれば（S12:0）、送信パターン決定部１８はフラグを１に設定してヌルステアリングに変更する（S13,S14）。フラグが１（ヌルステアリング）であれば（S12:1）、そのままヌルステアリングによる通信を継続する（S14）。なお、ステップＳ１４では、送信パターン決定部１８は、受信レベルＥの最適化を図るために、受信レベルＥと最適受信レベルＡとの差に基づいてヌルステアリングのための重み付け係数などを調整する。

受信レベルＥが、ヌルステアリングオフ閾値Ｃより小さければ（S11:E<C）、送信パターン決定部１８はフラグを判断する(S15)。フラグが０であれば(S15:0)、そのままビームフォーミングによる通信を継続させ、フラグが１であれば(S15:1)フラグを０へと変更し(S16)、無線端末への通信をビームフォーミングに変更する(S17)。
受信レベルＥが、ヌルステアリングオフ閾値Ｃより大きく強電界閾値Ｂより小さければ（C<E<B)、特に制御は変更せずに現状を維持する。このようなステップＳ１１〜Ｓ１７までの処理は、通信終了（S18:Yes）まで定期的に（例えば数10ms間隔で）実行されることとなる。

なお、上記した強電界閾値Ｂやヌルステアリングオフ閾値Ｃは、基地局１の回路構成の仕様、無線端末との間の通信方式などを考慮して実験的に求めることができる。
次に、本実施の形態の具体的な動作及び効果について図４，図５を用いて説明する。
図４は、制御チャネルの受信レベルＤまたは通信チャネルの受信レベルＥの大きさと、送信制御パターンとの関係を示す図である。

図５（ａ）は受信レベルＤまたはＥが強電界閾値Ｂ（以下、単に「閾値Ｂ」という。）より大きい場合、図５（ｂ）は受信レベルＤまたはＥがヌルステアリングオフ閾値Ｃ（以下、単に「閾値Ｃ」という。）より小さい場合を説明するための図である。
（１）受信レベルＤまたはＥが閾値Ｂより大きい場合
この場合は、基地局１が無線端末１００から受信する信号強度が過大なことを意味している。本実施の形態では、図５（ａ）に示すように、ヌルステアリング制御を行うことで、現状の受信レベルＤまたはＥを最適受信レベルＡへと抑制することができる。

従来は、信号強度が過大な場合には、ＶＧＡなどのパワーコントロールにより送信電力を下げるか、アッテネータ（attenuator）により信号を減衰させるなど回路を用いたハードウェア的なアプローチにより対処することが一般である。これに対して、本実施の形態によれば、パワーコントロール無しで（あるいは低ダイナミックレンジで）あったとしても、ヌルステアリング制御を行うことで過大な受信レベルを抑制することができ、高価な回路部品の採用を避けることができる。

（２）受信レベルＤまたはＥが閾値Ｂよりは小さく、閾値Ｃより大きい場合
この場合は、受信レベルＤまたはＥは閾値Ｂと閾値Ｃとの間の最適範囲であるため、ビームフォーミングかヌルステアリングの現状の制御を維持する。
（３）受信レベルＤまたはＥが閾値Ｃより小さい場合
この場合は、基地局１が無線端末１００から受信する信号強度が過小なことを意味している。本実施の形態では、図５（ｂ）に示すように、ビームフォーミング制御を行うことで、現状の受信レベルＤまたはＥを向上させて最適受信レベルＡに近づけることができる。
＜補足＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の内容に限定されず、本発明の目的とそれに関連又は付随する目的を達成するための各種形態においても実施可能であり、例えば、以下であってもよい。

（１）ヌルステアリング調整について
実施の形態では、大まかにヌル点として説明したが、ヌル点の中には、ビーム出力が小さい深いヌル点と、ビーム出力が多少残る程度の浅いヌル点とがある。ビーム出力が最小になるように重み付け係数を設定した場合が、最も深いヌル点となる。
ステップＳ４（図２）及びステップＳ１４（図３）のヌルステアリング調整では、受信レベルＤ（Ｅ）と最適受信レベルＡとの差に基づいて調整するのであるが、これらのステップでは、受信レベルＤ（Ｅ）が大きく最適受信レベルＡとの差分が大きい場合には深いヌル点を形成し、反対に上記差分が小さい場合には浅いヌル点を形成することで最適受信レベルＡへと好適に近づけることができる。

このようなヌル点の調整は、基本的には周知の手法を応用することで実現できる。
例えば、「「アダプティブアレーと移動通信」、電子情報通信学会誌、1999年1月,P55-P61」の文献では、重み付け係数などを拘束する拘束条件について述べられているが、この拘束条件を設けずに無線端末方向へとヌルへ収束する途中で（所望電力となり次第）方向変更を止めることなどを通して実現することができる。

（２）方法、プログラムについて
実施の形態の図２〜図３などを用いて説明したビームフォーミング／ヌルステアリングに関する処理は、アレーアンテナの制御方法として実施することができ、またこの制御方法を実現するためのプログラムとして実施することができる。

本発明に係る無線基地局装置は、受信信号強度を最適化しつつも回路部品の低コスト化に寄与し有用である。

無線基地局の構成を示すブロック図である。ビームフォーミング／ヌルステアリングに関する処理を示すフローチャートである。ビームフォーミング／ヌルステアリングに関する処理を示すフローチャートである。制御チャネルの受信レベルＤまたは通信チャネルの受信レベルＥの大きさと、送信制御パターンとの関係を示す図である。（ａ）は受信レベルＤまたはＥが閾値Ｂより大きい場合、（ｂ）は受信レベルＤまたはＥが閾値Ｃより小さい場合を説明するための図である。

符号の説明

１基地局（無線基地局装置）
２ａ〜２ｄアンテナ（アレーアンテナ）
８ａ〜８ｄ送信部
１０ａ〜１０ｄ受信部
１２変復調部
１４制御部
１６信号強度取得部
１８送信パターン決定部
２０送信パターン制御部
１００無線端末（移動無線端末）
Ａ基地局の最適受信レベル
Ｂ基地局の強電界閾値
Ｃ基地局のヌルステアリングオフ閾値
Ｄ基地局の制御チャネルの受信レベル
Ｅ基地局の通信チャネルの受信レベル

Claims

アレーアンテナと、前記アレーアンテナの指向性を定めるためのビームの方向を制御する制御手段とを備える無線基地局装置であって、
無線端末との間の信号強度を取得する取得手段を備え、
前記制御手段は、前記取得手段により取得された信号強度が閾値を上回った場合に、前記無線端末が存在する方向とは異なる方向へビームを向ける
ことを特徴とする無線基地局装置。
前記制御手段は、前記信号強度が閾値を上回った場合に、前記無線端末が存在する方向へとヌル点を向ける
ことを特徴とする請求項１に記載の無線基地局装置。
前記取得手段により取得された信号強度が、前記閾値より小さい第２閾値を下回る場合には、前記制御手段は、前記無線端末が存在する方向へとビームを向ける
ことを特徴とする請求項２に記載の無線基地局装置。
前記制御手段は、前記取得手段により取得された信号強度の値と最適値との差分を求め、この差分が大きいほど前記ヌル点を深くする
ことを特徴とする請求項２に記載の無線基地局装置。
アレーアンテナと、前記アレーアンテナの指向性を定めるためのビームの方向を制御する制御手段とを備える無線基地局装置における通信方法であって、
無線端末との間の信号強度を取得するステップと、
取得された信号強度が閾値を上回った場合に、前記無線端末が存在する方向とは異なる方向へビームを向けるステップと、を含む
ことを特徴とする無線通信方法。