JP2011259369A

JP2011259369A - 通信用アレーアンテナのビーム校正方法、及び通信用アレーアンテナ

Info

Publication number: JP2011259369A
Application number: JP2010134144A
Authority: JP
Inventors: Hisato Kojima; 央任小島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-12-22

Abstract

【課題】通信用アレーアンテナのアンテナ給電部において、温度変化により、ビーム方向がシフトする場合や、他のセルに対する不要放射が増大する場合がある。
【解決手段】サービスリンク通信信号にて、一時的に空いた周波数帯域の隙間の周波数に対し、放射素子数に対する直交する信号を生成し、サービスリンク通信信号と合成した上で、放射素子から放射し、その信号を放射素子の近傍に設置されたピックアップアンテナで受信し、受信信号をディジタル信号に変換し、予め定めたディジタル演算処理を行うことで、アンテナ給電部の変動を検出し、その変動を打ち消すように、アンテナの校正を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、マルチキャリア伝送方式を用いた移動体通信用アレーアンテナおいて、アダプティブアンテナアレー送信を行う際の、アンテナビームの校正方法、及びその通信用アレーアンテナに関するものである。

移動体通信ネットワークにおいて、動画像を中心とした大容量マルチメディア通信を実現するためには、コストを低減しつつ高品質な信号伝送を実現するとの観点から、マルチパス干渉に対する耐力を持つ無線アクセス方式が有効になる。マルチキャリア伝送は無線帯域を非常に多くの狭帯域信号に分割するため、サブキャリア当りの帯域幅が小さくでき、周波数選択性フェージングに起因する波形歪の影響を低減することができる。

一方、伝送される情報ビットの高速化に伴い、高いキャリア周波数による通信サービスが望まれることから、サービスを広いエリアで提供するためには小ゾーン化（マイクロセル化）と所要送信電力の低減が必要となる。このような観点から、各ユーザの角度方向に指向性ビームを形成するアダプティブアレーアンテナ送信が有効である（例えば、非特許文献１参照）。

佐和橋衛、安部田貞行、新博行、樋口健一、丹野元博、井原泰介"ブロードバンド無線アクセス方式の概要"NTT技術ジャーナル 2004.7 PP11-22

ここで、マルチキャリア伝送方式を用い、アダプティブアンテナアレー送信を行う従来の移動体通信システム基地局の構成例について、概要を説明する。
図２において、従来の移動体通信システム基地局は、送信ディジタルビームフォーミング回路１、Ｄ／Ａ変換器２、アップコンバータ３、増幅器４、放射素子５から構成される。通信システムの帯域は、同一チャネル干渉の影響を低減するために、３セル以上の周波数繰返しがなされているものとする。図２は３セル周波数繰り返しで、９セルを１つの基地局で形成する場合を想定している。

基幹ネットワークから移動体通信システム基地局に送信された通信信号は、ユーザの位置に対応したセルに割り当てられる。セル毎に割り当てられた周波数帯域は、それぞれが多くのサブキャリアに分割されることで、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）によるマルチキャリア伝送を実現する。それぞれのセルに割り当てられた送信信号は、送信ディジタルビームフォーミング回路１にて、セルに応じたアダプティブビームを形成するために所望のウェイトを加えられた後、空間合成される。空間合成された通信信号は、さらにＤ／Ａ変換器２でディジタル信号からアナログ信号に変換され、アップコンバータ３で周波数変換された後、増幅器４で電力増幅され、放射素子５から放射される。放射素子５から放射された通信信号は、サービスリンク通信信号として地上のセルに到達する。このとき、各通信信号は合成される際に、所望のセル方向のみに到達するように、ディジタルビームフォーミング回路１にてウェイトがかけられている。

しかしながら、上記のような従来の移動体通信システム基地局の場合、アンテナ給電部には複数の増幅器４を用いているために、通信信号の品質は増幅器４の特性ばらつきによって影響を受ける。特に送信の場合は、各増幅器４を通過する信号強度の差異があると、発熱量のばらつきが発生する。この増幅器４の温度特性により、増幅器４の利得、位相特性が変化する。このことにより、移動体通信システム基地局のアンテナ特性が劣化し、他のセルへの干渉の発生や、所望のセルに電波が到達しない等の問題が発生する。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであって、通信用アレーアンテナを構成するアンテナ給電部の温度特性ばらつきにより、アンテナ特性の劣化を防止することを目的とする。

本発明による通信用アレーアンテナのビーム校正方法は、複数の放射素子及び増幅器を含む給電部、上記放射素子の近傍に設置されて各放射素子から放射された信号を受信するピックアップアンテナを具備し、マルチキャリア伝送方式により、複数の通信セルにアダプティブアンテナアレー送信を行う通信用アレーアンテナにおいて、通信トラフィック上で一時的に通信信号のサブキャリアが空いた場合に、ディジタルランダム信号を生成する信号発生プロセスと、複数のサブキャリアが空間合成された通信信号に対して、上記信号発生プロセスにより生成されたディジタルランダム信号を加算し、ウェイトを乗算して、通信セルに応じたビームを形成するディジタルビームフォーミングプロセスと、上記ディジタルビームフォーミングプロセスにより形成されたビームを、上記給電部の各放射素子から放射する放射プロセスと、上記各放射素子から放射され、上記ピックアップアンテナで受けた受信信号について、ディジタルランダム信号との複素相関をとることで、各放射素子の振幅及び位相を求める適応フィルタリングプロセスと、上記適応フィルタリングプロセスにより得られた放射素子毎の振幅及び位相の時間的な変動を観測し、当該変動が打ち消されるように上記ディジタルビームフォーミングプロセスで乗算されるウェイトを補正するビーム校正プロセスと、を備えたものである。

また、本発明による通信用アレーアンテナは、複数の放射素子、増幅器、及びアップコンバータを含み、複数の通信セルに対し、マルチキャリア伝送方式によるアダプティブアンテナアレー送信を行う給電部と、入力される複数のサブキャリアを空間合成した通信信号に対してウェイトを乗算し、上記通信セルの配置に応じたビームを形成するディジタルビームフォーミング回路と、上記ディジタルビームフォーミング回路により形成されたビームをディジタルからアナログに信号変換し、上記給電部の各放射素子に給電するＤ／Ａ変換器と、上記放射素子の近傍に設置されて、各放射素子から放射された信号を受信するピックアップアンテナと、上記ピックアップアンテナの受信信号を周波数変換するダウンコンバータと、上記ダウンコンバータにより周波数変換された受信信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、通信トラフィック上で一時的にサブキャリアが空いた場合に、ディジタルランダム信号を生成する信号発生手段と、上記各放射素子から放射され、上記ピックアップアンテナで受けてディジタル信号に変換された受信信号について、ディジタルランダム信号との複素相関をとることで、各放射素子の振幅及び位相を求める適応フィルタと、を備え、上記ディジタルビームフォーミング回路は、上記信号発生手段からのディジタルランダム信号を上記通信信号に加算するとともに、上記適応フィルタにより得られた放射素子毎の振幅及び位相の時間的な変動を観測し、当該変動が打ち消されるように上記ウェイトを補正するものである。

本発明によれば、通信用アレーアンテナの給電部の温度変化によるビーム方向のシフトや他のセルに対する不要放射の増大を軽減することができる。

本発明に係る実施の形態１による通信用アレーアンテナの構成を示す図である。従来の通信用アレーアンテナの構成例を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１による通信用アレーアンテナの構成を示す図である。図１では、通信用アレーアンテナとして、移動体通信システム基地局用アレーアンテナの場合を例に説明する。

図１（ａ）において、移動体通信システム基地局用アレーアンテナは、送信ディジタルビームフォーミング回路１と、送信ディジタルビームフォーミング回路１に接続されたＤ／Ａ変換器２と、Ｄ／Ａ変換器２の後段に接続されたアップコンバータ３と、アップコンバータ３の後段に接続された増幅器４と、増幅器４の後段に接続された放射素子５と、送信ディジタルビームフォーミング回路１に接続された信号発生手段６と、ピックアップアンテナ７と、ダウンコンバータ８と、Ａ／Ｄ変換器９と、送信ディジタルビームフォーミング回路１に接続された適応フィルタ１０から構成される。ピックアップアンテナ７は、放射素子５の近傍に設置される。Ａ／Ｄ変換器９は、適応フィルタ１０に接続される。Ａ／Ｄ変換器９は、ダウンコンバータ８の後段に接続される。ピックアップアンテナ７は、ダウンコンバータ８の後段に接続される。アップコンバータ３、増幅器４、及び放射素子５はアンテナ給電部を構成する。送信ディジタルビームフォーミング回路１は、図示しない荷重制御部によって、アンテナビームを形成するウェイト（荷重係数）の設定が行われる。

通信システムの帯域は、同一チャネル干渉の影響を低減するために、３セル以上の周波数繰返しがなされているものとする。また、図１（ｂ）に示すように、３セル周波数繰り返しで、９セルを１つの基地局で形成する場合を想定している。

基幹ネットワークから移動体通信システム基地局に送信された通信信号は、ユーザの位置に対応したセルに割り当てられる。セル毎に割り当てられた周波数帯域は、図１（ｃ）のように（図の横軸は周波数、縦軸は振幅）、それぞれが多くのサブキャリアに周波数分割されることで、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）によるマルチキャリア伝送を実現する。

また、基幹ネットワークから移動体通信システム基地局に送信された各サブキャリアの通信信号は、送信ディジタルビームフォーミング回路１にて、セルに応じたビームを形成するために所望のウェイトを加えられた後、図１（ｄ）のように空間合成される。空間合成された通信信号は、さらにＤ／Ａ変換器２でディジタル信号からアナログ信号に変換され、アップコンバータ３で周波数変換された後、増幅器４で電力増幅され、放射素子５から放射される。放射素子５から放射された通信信号は、サービスリンク通信信号として地上のセルに到達する。このとき、各通信信号は空間合成される際に、図１（ｂ）のように所望のセル方向のみに到達するように、ディジタルビームフォーミング回路１にてウェイトが乗算されている。

ここで、サービスリンク通信信号において、通信トラフィックの関係で一時的に周波数帯域の一部が空いた場合、信号発生手段６はディジタルランダム信号を生成し、送信ディジタルビームフォーミング回路１に送る。送信ディジタルビームフォーミング回路１は、各放射素子５へ出力する通信信号に、上記のディジタルランダム信号を加算する。

この加算された通信信号とディジタルランダム信号は、Ｄ／Ａ変換器２でディジタル信号からアナログ信号に変換され、アップコンバータ３で周波数変換された後、増幅器４で電力増幅され、サービスリンク通信信号として放射素子５から放射される。

放射素子５から放射されたディジタルランダム信号の加算されたサービスリンク通信信号は、放射素子５の近傍に設置されたピックアップアンテナ７で受信され、この受信信号はダウンコンバータ８で周波数変換され、Ａ／Ｄ変換器９でディジタル信号に変換された後、適応フィルタ１０に送られる。

適応フィルタ１０は、Ａ／Ｄ変換器９からの受信信号と信号発生手段６で生成されたディジタルランダム信号の複素相関をとることで、各放射素子５からピックアップ７への結合量の振幅、位相を得るように構成されている。

この場合、振幅及び位相を得るための演算は、例えば特許第３５７７１９８号の式（９）乃至（１３）を用いて評価関数Φの最小二乗解Ｗ_ｏｐｔを解くことによって行われる。

この際、各放射素子５からピックアップ７への結合量は、各アップコンバータ３、各増幅器４、及び各放射素子５からなるアンテナ給電部の特性を含んでいる。そのため、アンテナ給電部の時間的な特性変動を放射素子５の系統毎にモニタ（観測）することで、モニタによって得られるそれぞれの系統の変動量を補正する（打ち消す）ように、送信ディジタルビームフォーミング回路１の上記ウェイトを設定する。これによって、アンテナ部の温度変化等によるビーム方向のシフトや、他のセルに対する不要放射の増大を軽減することができる。

なお、本実施の形態１では、移動体通信システム基地局用アレーアンテナからサービスリンク通信信号を送信する場合について説明した。しかし、移動体通信システム基地局用アレーアンテナにてサービスリンク通信信号を受信する場合であっても、信号の流れが逆であって、Ａ／Ｄ変喚器とＤ／Ａ変喚器、アップコンバータとダウンコンバータが入れ替わるだけであるため、十分に適用することが可能である。

また、本実施の形態１による移動体通信システム基地局用アレーアンテナは、人工衛星に搭載することによって、地上の衛星携帯電話通信用端末との通信を行うことのできる、衛星携帯電話通信システム用の通信用アレーアンテナを構成しても良い。特に、通信用アレーアンテナを衛星搭載超大型展開アンテナで構成する場合、その給電部においては、宇宙空間における苛酷な温度変化の影響によって、ビーム(衛星セル)方向がシフトする場合や、他の衛星セルに対する不要放射が増大することがある。このため、本実施の形態１による通信用アレーアンテナを適用することによって、ビーム方向のシフトや、他の衛星セルに対する不要放射を低減するように、アンテナ特性変動を補正することができるので、好適な衛星携帯電話通信を行うことが可能となる。

以上説明したように、実施の形態１による通信用アレーアンテナは、サービスリンク通信信号にて、一時的に空いたサブキャリアに対し、ディジタルランダム信号を生成し、送信ディジタルビームフォーミング回路でサービスリンク通信信号と合成した上で、放射素子から通信信号を放射し、その信号を放射素子の近傍に設置されたピックアップアンテナで受信し、受信信号をディジタル信号に変換し、予め定めたディジタル演算処理を行うことで、アップコンバータと放射素子の間の各系統の変動を検出し、その変動を打ち消すウェイトをディジタルビームフォーミング回路に設定するように、アンテナの校正を行う。

すなわち、複数の放射素子及び増幅器を含む給電部、上記放射素子の近傍に設置されて各放射素子から放射された信号を受信するピックアップアンテナを具備し、マルチキャリア伝送方式により、複数の通信セルにアダプティブアンテナアレー送信を行う通信用アレーアンテナにおいて、通信トラフィック上で一時的に通信信号のサブキャリアが空いた場合に、ディジタルランダム信号を生成する信号発生プロセスと、複数のサブキャリアが空間合成された通信信号に対して、上記信号発生プロセスにより生成されたディジタルランダム信号を加算し、ウェイトを乗算して、通信セルに応じたビームを形成するディジタルビームフォーミングプロセスと、上記ディジタルビームフォーミングプロセスにより形成されたビームを、上記給電部の各放射素子から放射する放射プロセスと、上記各放射素子から放射され、上記ピックアップアンテナで受けた受信信号について、ディジタルランダム信号との複素相関をとることで、各放射素子の振幅及び位相を求める適応フィルタリングプロセスと、上記適応フィルタリングプロセスにより得られた放射素子毎の振幅及び位相の時間的な変動を観測し、当該変動が打ち消されるように上記ディジタルビームフォーミングプロセスで乗算されるウェイトを補正するビーム校正プロセスを備えたことを特徴とする。

これによって、アンテナ部の温度変化によるビーム方向のシフトや他のセルに対する不要放射の増大を軽減することができる。

１送信ディジタルビームフォーミング回路、２Ｄ／Ａ変換器、３アップコンバータ、４増幅器、５放射素子、６信号発生手段、７ピックアップアンテナ、８ダウンコンバータ、９Ａ／Ｄ変換器、１０適応フィルタ。

Claims

複数の放射素子及び増幅器を含む給電部、上記放射素子の近傍に設置されて各放射素子から放射された信号を受信するピックアップアンテナを具備し、マルチキャリア伝送方式により、複数の通信セルにアダプティブアンテナアレー送信を行う通信用アレーアンテナにおいて、
通信トラフィック上で一時的に通信信号のサブキャリアが空いた場合に、ディジタルランダム信号を生成する信号発生プロセスと、
複数のサブキャリアが空間合成された通信信号に対して、上記信号発生プロセスにより生成されたディジタルランダム信号を加算し、ウェイトを乗算して、通信セルに応じたビームを形成するディジタルビームフォーミングプロセスと、
上記ディジタルビームフォーミングプロセスにより形成されたビームを、上記給電部の各放射素子から放射する放射プロセスと、
上記各放射素子から放射され、上記ピックアップアンテナで受けた受信信号について、ディジタルランダム信号との複素相関をとることで、各放射素子の振幅及び位相を求める適応フィルタリングプロセスと、
上記適応フィルタリングプロセスにより得られた放射素子毎の振幅及び位相の時間的な変動を観測し、当該変動が打ち消されるように上記ディジタルビームフォーミングプロセスで乗算されるウェイトを補正するビーム校正プロセスと、
を備えた通信用アレーアンテナのビーム校正方法。
複数の放射素子、増幅器、及びアップコンバータを含み、複数の通信セルに対し、マルチキャリア伝送方式によるアダプティブアンテナアレー送信を行う給電部と、
入力される複数のサブキャリアを空間合成した通信信号に対してウェイトを乗算し、上記通信セルの配置に応じたビームを形成するディジタルビームフォーミング回路と、
上記ディジタルビームフォーミング回路により形成されたビームをディジタルからアナログに信号変換し、上記給電部の各放射素子に給電するＤ／Ａ変換器と、
上記放射素子の近傍に設置されて、各放射素子から放射された信号を受信するピックアップアンテナと、
上記ピックアップアンテナの受信信号を周波数変換するダウンコンバータと、
上記ダウンコンバータにより周波数変換された受信信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
通信トラフィック上で一時的にサブキャリアが空いた場合に、ディジタルランダム信号を生成する信号発生手段と、
上記各放射素子から放射され、上記ピックアップアンテナで受けてディジタル信号に変換された受信信号について、ディジタルランダム信号との複素相関をとることで、各放射素子の振幅及び位相を求める適応フィルタと、
を備え、
上記ディジタルビームフォーミング回路は、上記信号発生手段からのディジタルランダム信号を上記通信信号に加算するとともに、上記適応フィルタにより得られた放射素子毎の振幅及び位相の時間的な変動を観測し、当該変動が打ち消されるように上記ウェイトを補正することを特徴とした通信用アレーアンテナ。