JP2013207422A - 基地局および通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線端末からの受信信号が大きい場合における到来方向の推定精度を向上させることができる基地局および通信方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る基地局１０は、アダプティブアレイ方式を用いる基地局であって、複数のアンテナと、各アンテナを介して無線端末と無線通信を行う複数の通信部１００と、複数の通信部１００から無線端末からのアップリンク信号を受け取る制御部２００とを備え、制御部２００は、アップリンク信号の受信電力を検出し、検出した受信電力に基づいてアップリンク信号の位相を補正し、アップリンク信号の補正後位相に基づいて、無線端末からの到来方向を推定し、推定した到来方向に基づき、アダプティブアレイアンテナの指向性を決定する送信ウェイトを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基地局および通信方法に関し、特にアダプティブアレイアンテナ（Adaptive Array Antenna）方式を用いる基地局および通信方法に関するものである。

無線通信システムにおいては、基地局にアダプティブアレイアンテナ方式を用いることにより、送信波に指向性を持たせることができる。

アダプティブアレイアンテナ方式を用いる基地局は複数のアンテナを備える。図６にアンテナの数が４本の場合のアダプティブアレイアンテナの例を示す。

アダプティブアレイアンテナ方式を用いる基地局は、各アンテナが無線端末から受信するアップリンク信号の位相に基づいて、無線端末から受信する無線信号の到来方向（以下、適宜「到来方向」と略する）、すなわち無線端末への方向を推定する。

アダプティブアレイアンテナ方式を用いる基地局は、推定した到来方向にビームを形成することにより、無線端末が基地局から受信するダウンリンク信号の品質を改善させることができる。

とくにＴＤＤ（Time Division Duplex）を採用する無線システムにおいては、無線端末が基地局に送信するアップリンク信号と、基地局が無線端末に送信するダウンリンク信号とが同一の周波数を使用して無線通信を行う。したがって、アップリンク信号とダウンリンク信号とで無線信号の伝搬特性が同一であるため、アップリンク信号から推定した到来方向に精度良くダウンリンク信号のビームを形成することができる。

アダプティブアレイアンテナ方式を用いる基地局においては、指向性の精度を向上させることにより、無線端末が受信するダウンリンク信号の品質を向上させることができるため、指向性の精度を向上させるための様々な方法が発明されている。

例えば、特許文献１に記載の発明は、周波数オフセットを補正することにより安定な通信を維持することを目的とするものである。また、特許文献２に記載の発明は、アンテナ間の無線回路特性差をフィルタで補正するものである。

特開２００１−２８５１６１号公報 特開２００３−７８４６２号公報 特開２００１−２６８００４号公報

通常、アダプティブアレイアンテナ方式を用いる基地局は、アンテナ毎に通信部が接続され、各通信部は、各アンテナが無線端末から受信したアップリンク信号の増幅や周波数変換などの処理を行う。通信部は、増幅器やミキサなどのアナログの機能ブロックを備えるが、これらの機能ブロックは理想的な線形特性を有することができず非線形特性を有する。したがって、アンテナが受信するアップリンク信号の受信電力がある閾値より大きくなると、通信部の非線形性により通信部の出力信号は歪む。

図７に通信部における出力電力と受信電力との関係の一例を示す。受信電力がInput P1ｄBに達するあたりから出力電力は入力電力に対して線形性を示さなくなり、出力電力は飽和し始める。ここで、Input P1ｄBとは、出力電力が、出力電力が受信電力に線形に依存すると仮定した理想的な出力電力特性よりも１ｄB小さい値となる受信電力の値である。

また、図７は出力信号の位相と受信電力との関係も示す。出力信号の位相は、受信電力が閾値Ｐｔｈよりも小さい範囲においては受信電力に依らずほぼ一定の値であるが、受信電力が閾値Ｐｔｈよりも大きい範囲においては、通信部の非線形特性に起因する歪みにより位相変化が生じてしまう。位相変化は、受信電力の増加とともに増加する。ここで、位相変化とは、受信電力が閾値Ｐｔｈ以下の場合の位相に対する位相のずれを意味するものとする。通常、閾値Ｐｔｈは、Input P1dBよりも小さい。

アダプティブアレイアンテナ方式を用いる基地局においては、フェージングなどの影響により各アンテナの受信電力の大きさは異なる。したがって、受信電力が閾値Ｐｔｈより小さいアンテナと受信電力が閾値Ｐｔｈより大きいアンテナとがある場合、受信電力が閾値Ｐｔｈより小さいアンテナは位相変化が生じないが、受信電力が閾値Ｐｔｈより大きいアンテナは位相変化が生じる。

図８に、受信電力が閾値Ｐｔｈよりも大きく、通信部の出力信号に位相変化が生じている様子を示す。実線はアンテナから通信部への入力信号を示し、破線は通信部の出力信号を示す。なお、実際には通信部への入力信号と通信部の出力信号とでは振幅が異なるが、位相の比較を容易にするために、入力信号の振幅と出力信号の振幅とを揃えて示している。

アダプティブアレイアンテナ方式を用いる基地局は、各アンテナが無線端末から受信するアップリンク信号の位相に基づいて、無線端末から受信する無線信号の到来方向を推定しているため、通信部の非線形性に起因して位相変化が生じると精度良く到来方向を推定できなくなってしまう。

図９に、受信電力が大きいアンテナがあり位相変化が生じたため、推定した到来方向が本来の無線端末への方向と角度θだけずれてしまった場合の例を示す。この場合、アダプティブアレイアンテナ方式を用いる基地局は、本来の無線端末への方向と角度θだけ異なる方向にダウンリンク信号のビームを形成してしまう。こうなると、アダプティブアレイアンテナ方式を用いているにも関わらず、無線端末が基地局から受信するダウンリンク信号の品質の改善効果が小さくなってしまう。

上述の特許文献１および特許文献２に記載の発明は、受信電力が大きい場合に通信部の非線形性に起因して生じる位相変化の影響を考慮していないため、この問題を解決することができない。

また、例えば特許文献３のように、基地局が一定の電力を受け取ることができるように無縁端末の送信電力を制御する発明が知られているが、この方法は、無線端末の送信電力制御を可能とする無線通信システムでなければ適用することができない。

また、通信部の線形性を向上させることによって位相変化を生じにくくさせることも考えられるが、この方法は高価な部品が必要になることによるコストアップや消費電力の増大などにつながるため好ましくない。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、無線端末からの受信信号が大きい場合における到来方向の推定精度を向上させることができる基地局および通信方法を提供することにある。

上記目的を達成する第１の観点に係る基地局の発明は、
アダプティブアレイ方式を用いる基地局であって、
複数のアンテナと、
前記各アンテナを介して無線端末と無線通信を行う複数の通信部と、
前記複数の通信部から前記無線端末からのアップリンク信号を受け取る制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記アップリンク信号の受信電力を検出し、
検出した前記受信電力に基づいて前記アップリンク信号の位相を補正し、
前記アップリンク信号の補正後位相に基づいて、前記無線端末からの到来方向を推定し、
推定した前記到来方向に基づき、アダプティブアレイアンテナの指向性を決定する送信ウェイトを算出する
ことを特徴とする。

第２の観点に係る発明は、第１の観点に係る基地局であって、さらに、前記受信電力と前記アップリンク信号の位相とを対応づける位相補正テーブルを記憶する記憶部を備え、前記制御部は前記位相補正テーブルを参照して前記アップリンク信号の位相を補正することを特徴とする。

上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

例えば、本発明を方法として実現させた第３の観点に係る通信方法の発明は、
アダプティブアレイ方式を用い複数のアンテナを備える基地局における通信方法であって、
前記基地局は、
前記各アンテナを介して無線端末から受信するアップリンク信号の受信電力を検出するステップと、
検出した前記受信電力に基づいて前記アップリンク信号の位相を補正するステップと、
前記アップリンク信号の補正後位相に基づいて、前記無線端末からの到来方向を推定するステップと、
推定した前記到来方向に基づき、アダプティブアレイアンテナの指向性を決定する送信ウェイトを算出するステップと
を含むことを特徴とする。

本発明によれば、無線端末からの受信信号が大きい場合における到来方向の推定精度を向上させることができる基地局および通信方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る基地局の概略構成を示す機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る基地局の複数のアンテナの受信信号を示す図である。 本発明の一実施形態に係る基地局の通信部において、出力信号の位相が入力信号の位相とずれる様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る記憶部が記憶する位相補正テーブルの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る基地局が到来方向を推定し、到来方向にビームを形成する処理を示すフローチャートである。 アダプティブアレイアンテナにおける複数のアンテナの一例を示す図である。 通信部の出力電力および出力信号の位相の受信電力への依存を示す図である。 通信部において出力信号の位相が入力信号の位相とずれる様子を示す図である。 アダプティブアレイアンテナが形成したビームの方向が無線端末への方向とずれている様子を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る基地局の概略構成を示す機能ブロック図である。基地局１０はアダプティブアレイアンテナ方式を用いる基地局であり、アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４、通信部１００−１〜１００−４、制御部２００および記憶部３００を備える。

なお、図１においては、基地局１０が４本のアンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４を有する場合を例として示したが、これはあくまでも一例であり、アンテナの本数は４本に限られるわけではない。基地局１０のアンテナの本数は２以上の任意の数であり得る。

アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４は同種のアンテナであるため、区別をせずに総称する場合はアンテナＡＮＴと記載する。通信部１００−１〜１００−４についても同様に、区別をせずに総称する場合は通信部１００と記載する。

基地局１０は、アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４のそれぞれを介して無線端末からアップリンクの無線信号を受信し、また、アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４のそれぞれを介して無線端末にダウンリンクの無線信号を送信する。

アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４には、それぞれ、通信部１００−１〜１００−４が接続される。通信部１００−１〜１００−４は、各々がアンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４からアップリンクの無線信号を受信し、また、各々がアンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４にダウンリンクの無線信号を送信する。

図２にアンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４がそれぞれ無線端末から受信する無線信号の例を示す。図２に示すように、フェージングなどの影響があるためアンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４の受信振幅の大きさは異なる。なお、図２においては、それぞれのアンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４の受信振幅を比較しやすいように、縦軸方向にオフセットをつけて波形をずらして示している。図２に示すように、アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４の受信信号は、それぞれ異なる位相を有する。

通信部１００は、受信部１０２、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１０４、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）１０６、および、送信部１０８を備える。

受信部１０２は、アンテナＡＮＴからアップリンクの無線信号を受け取り、増幅やベースバンド周波数信号へのダウンコンバートなどの処理を行う。受信部１０２は非線形な特性を有するため、アンテナＡＮＴから受け取る無線信号の受信電力が大きい場合は出力信号が歪み位相変化を生じる。出力信号の位相変化は受信電力が大きいほど大きい。

図３に、受信部１０２への受信電力が閾値Ｐｔｈよりも大きく、受信部１０２の出力信号に位相変化が生じている様子を示す。実線はアンテナＡＮＴから受信部１０２への入力信号を示し、破線は受信部１０２の出力信号を示す。なお、実際には受信部１０２への入力信号と受信部１０２の出力信号とでは振幅が異なるが、位相の比較を容易にするために、入力信号の振幅と出力信号の振幅とを揃えて示している。

図３（ａ）は、アンテナＡＮＴ−２に接続する受信部１０２の位相変化を示す図であり、図３（ｂ）は、アンテナＡＮＴ−３に接続する受信部１０２の位相変化を示す図である。アンテナＡＮＴ−２の受信電力の方がアンテナＡＮＴ−３の受信電力よりも大きいため、図３（ａ）に示す位相変化の方が、図３（ｂ）に示す位相変化よりも大きい。

ＡＤＣ１０４は、無線信号からベースバンド信号にダウンコンバートされたアップリンク信号を受信部１０２から受け取り、デジタル信号に変換して制御部２００に出力する。

ＤＡＣ１０６は、ダウンリンクのデジタル信号を制御部２００から受け取り、アナログ信号に変換して送信部１０８に出力する。

送信部１０８は、アナログ信号に変換されたダウンリンク信号をＤＡＣ１０６から受け取り、増幅や無線信号へのアップコンバートなどの処理を行い、アンテナＡＮＴを介してダウンリンクの無線信号を無線端末に送信する。

制御部２００は、受信電力検出部２０２、位相補正量算出部２０４、到来方向推定部２０６、および、送信信号算出部２０８を備える。

受信電力検出部２０２は、ＡＤＣ１０４から受け取ったアップリンク信号の受信電力を検出する。なお、受信電力検出部２０２は、ＡＤＣ１０４から受け取ったアップリンク信号の受信電力を検出するのではなく、ＡＤＣ１０４によりデジタル信号に変換される前のアナログ信号の受信電力を検出する構成としてもよい。

位相補正量算出部２０４は、各アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４の受信電力が位相変化が生じる閾値Ｐｔｈより大きいか否かを判定し、受信電力が閾値Ｐｔｈより大きいアンテナは、受信部１０２の歪みに起因する位相変化が生じるため、位相を補正する必要があると判定する。

位相補正量算出部２０４は、位相を補正する必要があると判定したアンテナからの受信信号について記憶部３００が記憶する位相補正テーブルを参照して位相補正量を算出する。位相補正量の算出方法は、図４の説明において後述する。

到来方向推定部２０６は、受信電力が閾値Ｐｔｈより大きいアンテナについては位相補正量算出部２０４が算出した位相補正量により補正した後の位相、受信電力が閾値Ｐｔｈ以下のアンテナについては補正をしていない位相（以下、これらの位相を「補正後位相」と称する）を用いて到来方向を推定する。

送信信号算出部２０８は、推定した到来方向にビームを形成することができるように、各アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４の受信信号の補正後位相を用いて、アダプティブアレイアンテナの指向性を決定する送信ウェイトを算出する。送信信号算出部２０８は、算出した送信ウェイトを送信データに乗算する。基地局１０は、送信信号算出部２０８が算出した送信ウェイトを乗算した送信データを用いて、各アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４からダウンリンクの無線信号を送信することにより、推定した到来方向にダウンリンク信号のビームを形成することができる。

記憶部３００は、位相補正テーブルのデータを記憶する。図４に位相補正テーブルの一例を示す。位相補正テーブルは、図４に示すように、受信電力の大きさと各アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４の位相とを対応づける表である。位相補正量算出部２０４は、記憶部３００が記憶する位相補正テーブルを参照して、受信電力が閾値Ｐｔｈより大きい場合の位相補正量を算出する。

アンテナＡＮＴ−１を例に挙げて説明すると、例えば受信電力が−４０ｄＢｍの場合、受信部１０２の出力信号の位相は２７度である。この位相は、受信電力が小さく位相変化が生じていない場合の位相である２０度から７度だけ位相変化している。したがって、この場合、位相補正量算出部２０４は、位相補正量が７度であると算出する。

また、例えば受信電力が−３５ｄＢｍの場合のように、位相補正テーブルが対応する受信電力のデータを持たない場合は、位相補正量算出部２０４は、例えば、受信電力が−４０ｄＢｍの場合の位相変化７度と受信電力が−３０ｄＢｍの場合の位相変化１０度とから線形補間して、位相補正量が８．５度であると算出する。

なお、図４においては、位相補正テーブルの例として、受信電力に対応する絶対位相のデータを有する場合を示したが、受信電力に対応する相対位相をデータとして有するようにしてもよい。

また、図４においては、アンテナ毎に位相補正テーブルを有する場合を例として示したが、各アンテナで位相変化と受信電力との対応関係に大きな差がない場合は、位相補正テーブルは全てのアンテナで共通にしてもよい。

図５は、本発明の一実施形態に係る基地局が到来方向を推定し、到来方向にビームを送信する処理を示すフローチャートである。

受信電力検出部２０２は、ＡＤＣ１０４からアップリンク信号を受け取り各アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４の受信電力を検出する（ステップＳ１０１）。

位相補正量算出部２０４は、受信電力が閾値Ｐｔｈより大きいアンテナから受信した受信信号に対する位相補正量を記憶部３００に記憶する位相補正テーブルから読み出す（ステップＳ１０２）。位相補正量算出部２０４は、記憶部３００に記憶する位相補正テーブルから読み出した位相補正量に基づいて位相補正量を算出する（ステップＳ１０３）。

到来方向推定部２０６は、アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４の補正後位相を用いて到来方向を推定する。（ステップＳ１０４）。

送信信号算出部２０８は、アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４の補正後位相を用いて、アダプティブアレイアンテナの指向性を決定する送信ウェイトを算出する（ステップＳ１０５）。送信信号算出部２０８は、送信データにステップＳ１０５で算出した送信ウェイトを乗算する（ステップＳ１０６）。

基地局１０は、送信信号算出部２０８が算出した送信ウェイトを乗算した送信データを用いて、各アンテナＡＮＴ−１〜ＡＮＴ−４からダウンリンクの無線信号を送信することにより、推定した到来方向にダウンリンク信号のビームを形成する（ステップＳ１０７）。

このように、本実施形態によれば、無線端末からの受信信号が大きい場合における到来方向の推定精度を向上させることができ、精度良く推定した到来方向にビームを形成することができる。その結果、無線端末が基地局から受信するダウンリンク信号の品質を改善させることができる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１０ 基地局
１００ 通信部
１０２ 受信部
１０４ ＡＤＣ
１０６ ＤＡＣ
１０８ 送信部
２００ 制御部
２０２ 受信電力検出部
２０４ 位相補正量算出部
２０６ 到来方向推定部
２０８ 送信信号算出部
３００ 記憶部
ＡＮＴ アンテナ

Claims (3)

1. アダプティブアレイ方式を用いる基地局であって、
   複数のアンテナと、
   前記各アンテナを介して無線端末と無線通信を行う複数の通信部と、
   前記複数の通信部から前記無線端末からのアップリンク信号を受け取る制御部と
   を備え、
   前記制御部は、
   前記アップリンク信号の受信電力を検出し、
   検出した前記受信電力に基づいて前記アップリンク信号の位相を補正し、
   前記アップリンク信号の補正後位相に基づいて、前記無線端末からの到来方向を推定し、
   推定した前記到来方向に基づき、アダプティブアレイアンテナの指向性を決定する送信ウェイトを算出する
   ことを特徴とする基地局。
2. 請求項１に記載の基地局であって、さらに、前記受信電力と前記アップリンク信号の位相とを対応づける位相補正テーブルを記憶する記憶部を備え、前記制御部は前記位相補正テーブルを参照して前記アップリンク信号の位相を補正することを特徴とする基地局。
3. アダプティブアレイ方式を用い複数のアンテナを備える基地局における通信方法であって、
   前記基地局は、
   前記各アンテナを介して無線端末から受信するアップリンク信号の受信電力を検出するステップと、
   検出した前記受信電力に基づいて前記アップリンク信号の位相を補正するステップと、
   前記アップリンク信号の補正後位相に基づいて、前記無線端末からの到来方向を推定するステップと、
   推定した前記到来方向に基づき、アダプティブアレイアンテナの指向性を決定する送信ウェイトを算出するステップと
   を含むことを特徴とする通信方法。
   

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