JP2014158127A - 基地局装置および無線信号送信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な演算処理を必要とせずに指向性のあるビームを形成し、隣接するフェムト基地局間のセル間干渉を回避し、複数のフェムト基地局を近接して設置できるようにし、収容ユーザ数を向上させる。
【解決手段】複数のアンテナを有する基地局装置において、すべてのアンテナを用いてＭＩＭＯにより送信を行うパターンの他に、指向性のあるビームを形成する複数のアンテナへの給電パターンまたは複数のアンテナへの入力信号の位相差の組み合わせパターンを予め記憶し、周辺基地局装置の電力情報に基づいて、予め決められた順番で給電パターンまたは位相差パターンを切替えて周辺基地局との干渉の少ないビームを形成するパターンを選択する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、移動体無線通信技術に関し、特に、移動体無線通信システムにおける基地局装置および基地局装置のアンテナ制御方法に関する。

移動体無線通信システムにおいては、音声通信サービスを中心とした第３世代のＷ−ＣＤＭＡ(Wideband Code Division Multiple Access)方式から、インターネットのデータ通信に特化した第３．５世代のＨＳＤＰＡ(High Speed Downlink Packet Access)へ通信方式が発展し、商用サービスが展開されている。さらに高速通信の需要が高まってきており、第３．９世代と呼ばれるＬＴＥ(Long Term Evolution)に準拠したサービスも国内で既に開始されている。ＬＴＥは第３世代、第３．５世代の通信システムに比べ、高速なデータ通信が可能である。ＬＴＥではスループットを向上させるためアンテナ技術にはＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）を用いて運用される。ＭＩＭＯは複数のアンテナを用いて同一の無線リソースに複数の信号を多重化させスループットを向上させる技術である。

また、ＬＴＥを含めた近年の移動体無線通信システムにおいては、スマートフォンやタブレット型コンピューターの普及により、爆発的に通信トラフィックが増加している。通信トラフィックは、全体の７割以上が住宅やオフィスといった屋内エリアで発生していることがわかってきている。そのため、通信トラフィックのデータオフロード手段の必要性が増している。データオフロード手段のひとつとして、フェムト基地局と呼ばれる屋内エリアをカバーできる程度の超小型基地局が注目されている。フェムト基地局は、通信トラフィックをフェムト基地局経由で固定網のブロードバンド回線にオフロードする。

特開２００３−２２４５０２号公報

David V. Thiel著 「Switched Parasitic Antennas for Cellular Communications」Artech House 2001年12月15発行 p52〜64

フェムト基地局は、一般的に収容可能なユーザ数が限定されている。しかし、収容可能なユーザ数を超えるユーザがエリア内に集中した場合にも、なんらかの手段を用いてユーザの通信トラフィックをフェムト基地局経由でオフロードしたいというニーズがある。1台のフェムト基地局に収容可能なユーザ数以上のユーザの通信トラフィックをオフロードするためには、もう1台の別のフェムト基地局を隣接するエリアに設置する必要がある。隣接するエリアに別のフェムト基地局を設置する場合、フェムト基地局同士のセル間干渉を考慮して設置場所を決める必要がある。

しかし、通常、さまざまな制約からフェムト基地局を配置可能な場所は限定される場合が多い。限られた設置可能な場所に複数のフェムト基地局を設置するとセル間干渉を避けることが難しく、その結果として、１基地局当たりのスループット低下を引き起こす。この問題の解決策の一つとして、ビームフォーミングを用いることが考えられる。ビームフォーミングを用いてそれぞれのフェムト基地局が形成するセルが干渉しないようにビームを形成することでセル間干渉を低減することができる。

ビームフォーミングについては、例えば特許文献1に、スマートアンテナと、制御用装置を備えた第１の無線基地局において、制御用装置が、同一チャネルや隣接チャネル等の干渉を与えるチャネルを使用している他の無線基地局からの無線信号に基づいてウェイト情報を更新しウェイト情報に基づいてビームフォーミングを行うことで、他の無線基地局との干渉を低減する技術が開示されている。

しかし、特許文献１に開示されているようなアダプティブアレイを使用してビームフォーミングを実現する技術によれば、基地局はスマートアンテナで受信したパケットを解読してパケット毎の電力を測定しアレイアンテナのウェイトを作成するための複雑な演算処理を行う必要がある。しかし、フェムト基地局のような小型で低価格がコンセプトである装置では、処理能力に限りがある。

本発明は、複雑な演算処理を必要とせずに指向性のあるビームを形成し、隣接するフェムト基地局間のセル間干渉を回避しつつ、複数のフェムト基地局を設置場所の限定のある場所でも近接して設置できるようにすることを目的とする。そして、1台では収容しきれないユーザを、複数のフェムト基地局を設置することで収容できるようにすることを目的とする。

本発明のフェムト基地局は、複数のアンテナを有する基地局装置において、すべてのアンテナを用いてＭＩＭＯにより送信を行うパターンの他に、指向性のあるビームを形成する複数のアンテナへの給電パターンまたは複数のアンテナへの入力信号の位相差の組み合わせパターンを予め記憶し、周辺基地局装置の電力情報に基づいて、予め決められた順番で給電パターンまたは位相差パターンを切替えて周辺基地局との干渉の少ないビームを形成するパターンを選択するようにしたものである。

本発明によれば、複雑な演算処理を必要とせずに指向性のあるビームを形成でき、隣接するフェムト基地局間のセル間干渉を回避しつつ、複数のフェムト基地局を設置場所の限定のある場所でも近接して設置できるようになる。その結果、1台では収容しきれないユーザを、複数のフェムト基地局を設置することで収容可能となる。

本発明の一実施形態におけるフェムト基地局のアンテナ構成を示す図である。 アンテナを単体で用いた場合のビームパターンを示す図である。 本発明の一実施形態におけるアンテナのビームパターンを示す図である。 ビームパターンテーブルの例を示す図である。 本発明の一実施形態におけるフェムト基地局の構成を説明する図である。 本発明の一実施形態におけるビームパターンの切替え制御を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態におけるセルレイアウトを示す図である。 本発明の一実施形態におけるビームパターンの切替え制御後のセルレイアウトを示す図である。 本発明の一実施形態におけるビームパターンの切替え制御後のセルレイアウトを示す図である。 本発明の一実施形態におけるアンテナのビームパターンを示す図である。 ビームパターンテーブルの例を示す図である。 本発明の一実施形態におけるフェムト基地局の構成を説明する図である。

以下の本発明の実施例を図面により説明する。

まず、本発明が利用する無線特性について説明する。

非特許文献１に、複数の素子を持つアンテナ装置において、無給電素子をオープンもしくは、ショートした場合に形成されるビームパターンが開示されている。アンテナ装置の2つの素子に対し、一方は給電し、他方は無給電とすると、指向性を持つビームが形成されるという無線の特性がある。本実施例では、この特性を利用して、複雑な処理を必要とせずにビームフォーミングを実現し、フェムト基地局同士のセル間干渉を回避する。以下の実施例においてフェムト基地局の構成およびフェムト基地局のアンテナ制御方法を説明する。

図１に、本発明の一実施例におけるフェムト基地局の構成を示す。
フェムト基地局１０aは２本のアンテナ１１a、１１bを備えている。アンテナ１１a、１１bは、アンテナ間距離１２だけ離れている。このアンテナ間距離１２は、片側をショートするとビームフォーミングを形成できる距離とする。本実施例では、アンテナ間距離を約０．２５波長としている。なお、アンテナは２本以上で構成してもよい。

図２は、アンテナを単体で用いた場合のビームパターンの例を示す図である。
それぞれのアンテナ１１a、１１bは、単体で用いた場合には図２に示す無指向性の電波５０を放射する。

図３は、本発明の一実施例におけるアンテナのビームパターンを示す図である。
本実施例のフェムト基地局は、スループット向上のためにアンテナ１１a、１１bに複数の信号を入力してＭＩＭＯで動作させる形態と、アンテナ１１a、１１bへの信号を一方は給電、一方はショートに切り替えＳＩＳＯ（Single Input Single Output）で動作させる形態を持ち、状況に応じて動作形態の制御を行えるようにしたことを特徴とする。

アンテナ１１a、１１bへの信号を一方は給電、一方はショートに切り替えＳＩＳＯ（Single Input Single Output）で動作させる形態では、図３に示すような指向性を持つビームパターンが得られる。図３は、アンテナ１１aを給電、アンテナ１１bをショートした場合のビームパターンを示しており、アンテナ１１a側に指向性を持つビームパターン８０が形成され、アンテナ１１b方向には、ほとんど電波が放射されない。一方、アンテナ１１aをショート、アンテナ１１bを給電すると、アンテナ１１b側に指向性を持つビームパターン８１が形成される。
本発明では、アンテナ１１a、１１b両方に給電してＭＩＭＯで動作させる形態と、アンテナ１１aを給電、アンテナ１１bをショートし、アンテナ１１a側に指向性を持つビームを形成する形態と、アンテナ１１aをショート、アンテナ１１bを給電し、アンテナ１１b側に指向性を持つビームを形成する形態の切替えを制御する。

以下、アンテナ動作形態の切替え制御について説明する。
図４に、ビームパターンテーブルの例を示す。
本実施例では、アンテナの動作形態の切替え制御を行うために、アンテナ１１a、１１bの給電パターンを図４に示すようなビームパターンテーブルに登録する。アンテナ１１a、１１bに給電を行い複数の信号を入力し、２本のアンテナを使用しＭＩＭＯで動作する形態をビームパターンＩＤ１として登録する。次にアンテナ１１aを給電, アンテナ１１bをショートとし、給電したアンテナ１１a側に指向性を持つビームを形成する形態をビームパターンＩＤ２として登録する。さらに、アンテナ１１aをショート, アンテナ１１bを給電し、給電したアンテナ１１b側に指向性を持つビームを形成する形態をビームパターンＩＤ３として登録する。そして、登録されたビームパターンテーブルを元にビームパターンを切り替える。本実施例では、アンテナが２本である場合を例にとって説明しているが、アンテナが２本より多くてもよく、各アンテナに対する給電、ショートのパターンは、ビームパターンテーブルにいくつ登録してもよく、また、必要なパターンのみ登録しておいてもよい。

次に、フェムト基地局の構成について説明する。
図５は、本発明の一実施例におけるフェムト基地局の構成を説明する図である。
本実施例のフェムト基地局は、基地局制御部１０１とインターフェイス部１０５とデジタル信号処理部１０６と無線アナログ部１０７で構成されている。

無線アナログ部１０７は、アンテナ１１aとアンテナ１１bの２系統で構成され、デュプレクサ２０７aでアナログ送信部２００aとアナログ受信部２０１aに信号を分離している。無線アナログ部１０７は、スイッチ２０３aとスイッチ２０４aをアナログ受信回路２０１a側に切り替え、アンテナ１１aからの信号は、ダウンリンクの周波数に対応した低ノイズパワーアンプ２０５aで増幅されたダウンリンク周波数の電力をアナログ受信回路２０１aで受信する。スイッチ２０３aは、低ノイズパワーアンプ２０５aとミキサ２０２aの間に設置されている。
また、アップリンクの信号は、アップリンクの周波数に対応した低ノイズパワーアンプ２０６aで増幅され、アナログ受信回路２０１aに入力される。
本実施例でのフェムト基地局は、周辺基地局のダウンリンク周波数の電力情報を取得する機能を備えている。なお、本実施例ではダウンリンク周波数の電力検知をアナログ受信回路で検知している場合を例にとって説明するが、専用の受信回路を設けてもよい。アンテナ１１aの手前にはスイッチ２０８aがあり、アンテナを給電とショートに状態を切り替える機能を備える。

基地局制御部１０１は上記無線アナログ部１０７のスイッチの切り替え制御を行う。図４のビームパターンテーブル情報はＲＯＭ１０４にあらかじめ格納される。受信したダウンリンク周波数の電力レベルはＲＡＭ１０３に保存される。基地局制御部１０１内のＣＰＵ１０２は保存された電力レベルに基づいてＲＯＭ１０４に格納されたビームパターンテーブルからビームパターンを選択し、無線アナログ部１０７のスイッチ２０８aの制御を行う。アンテナ１１b側の構成も同様であり、説明を省略する。

次に、ビームパターンの切替え制御について説明する。
図６は、本発明の一実施形態におけるビームパターンの切替え制御を説明するフローチャートである。

フェムト基地局は電源投入後、図４のビームパターンＩＤ１（ＭＩＭＯの動作形態）で動作する（ステップ３００）。次に、フェムト基地局は、ビームパターンＩＤ１で動作しつつ周辺基地局のダウンリンク周波数の電力レベルを取得する（ステップ３０１）。取得した周辺基地局のダウンリンク周波数の電力レベルと、あらかじめ設定しておいた閾値を比較する（ステップ３０２）。この閾値は、フェムト基地局が周辺基地局とセル間干渉を起こしていると見なす電力レベルの閾値を予め設定しておいたものである。電力レベルが閾値以下であれば、ビームパターンＩＤ１で通信する（ステップ３０３）。
もし、電力レベルが閾値以上であれば、ビームパターンＩＤ２の形態で動作する（ステップ３０４）。次に、ビームパターンＩＤ２の形態で動作しつつ周辺基地局のダウンリンク周波数の電力レベルを取得する（ステップ３０５）。ビームパターンＩＤ２で動作した場合の周辺基地局のダウンリンク周波数の電力レベルを取得後、次にビームパターンをＩＤ３に切り替える（ステップ３０６）。そして、ビームパターンＩＤ３の動作形態での周辺基地局のダウンリンク電力レベルを取得する（ステップ３０７）。ここで、ビームパターンＩＤ２で動作した場合とビームパターンＩＤ３で動作した場合のダウンリンク電力レベルの比較を行う（ステップ３０８）。ビームパターンＩＤ２で動作した場合のダウンリンク周波数の電力レベルの方が低い場合は、ビームパターンＩＤ２で動作させる（ステップ３０９）。ビームパターンＩＤ３で動作した場合のダウンリンク周波数の電力レベルの方が低い場合は、ビームパターンＩＤ３で動作させる（ステップ３１０）。

本実施例では、電源投入時のみ図６に示したビームパターンの切替え制御処理を行う場合について説明したが、この処理を一定周期または上位装置やユーザからの実行命令に基づき実行させてもよい。一定周期後に動作させる場合は、フェムト基地局が端末と通信を行っていない時に図６のフローチャートの動作を行う。

次に本実施例のビームパターンの切替え制御処理によるセルレイアウトの変更例を説明する。
図７および図８は、本発明の一実施例におけるセルレイアウトを示す図である。
図７は、接続ユーザ数の向上のため、隣接するエリアに複数のフェムト基地局を設置した場合のセルレイアウトを示す図である。
図７の例では、一方のフェムト基地局の２つのアンテナを結ぶ線の延長上に別のフェムト基地局の２つのアンテナが位置するようにフェムト基地局を並べている。このような配置では、フェムト基地局１０aとフェムト基地局１０bが近接している場合には、フェムト基地局１０aが形成するセル３００aとフェムト基地局１０bが形成するセル３００bが重なり、重なった場所でセル間干渉３１が発生する。ここで図６のビームパターンの切替え制御処理により、フェムト基地局１０aはフェムト基地局１０bのダウンリンク周波数の電力レベルを取得する。そして、周辺基地局とのセル間干渉を検知し、フェムト基地局１０aが図３で示したようにフェムト基地局１０bに対して逆側にセル形成を行うビームパターンに切替えを行う。
次に、フェムト基地局１０bがフェムト基地局１０aからのダウンリンク周波数の電力レベルを検知し、図６のビームパターン切替え制御処理により、フェムト基地局１０aに対して逆側にセルを形成する。

図８は、ビームパターン切替え制御後のセルレイアウトを示している。
図８に示すようにフェムト基地局１０aと１０ｂが、それぞれ逆側にセルを形成するので、セル間干渉を回避しつつ、フェムト基地局を１台追加することで接続ユーザ数を2倍に向上させることができる、
図７および図８では、一方のフェムト基地局の２つのアンテナを結ぶ線の延長上に別のフェムト基地局の２つのアンテナが位置するようにフェムト基地局を並べた場合について説明した。これに対し、フェムト基地局が一方のフェムト基地局の２つのアンテナを結ぶ線と、別のフェムト基地局の２つのアンテナを結ぶ線が直交するようにフェムト基地局を並べた場合について説明する。

図９は、ビームパターンの切替え制御後のセルレイアウトを示している。
フェムト基地局１０aに対して、フェムト基地局１０ｃが直交する位置に設置されている場合に、図６のフローチャートを実施すると、フェムト基地局１０aがセル４００aを形成し、フェムト基地局１０cがセル４００ｃを形成し、図９に示すようにセル間干渉を回避することができる。

以上説明した本実施例によれば、フェムト基地局が隣接した場合において、登録されたビームパターンからセル間干渉を回避するようにビームパターンを選択し、接続可能なユーザ数を向上させることができる。

次に、別の実施例について説明する。
本実施例では、アンテナへ入力する信号の位相差によりビームフォーミングを実現する場合について説明する。
本実施例のフェムト基地局のアンテナ構成は、図１に示したフェムト基地局１０aのアンテナ構成と同様であるため説明を省略する。

図１０は、本実施例におけるアンテナのビームパターンを示す図である。
本実施例では、アンテナへの信号がアンテナ１１aとアンテナ１１b間で位相差が−９０度となるアンテナシステムを用いる。実施例２においては、図３に示すアンテナ１１a、１１bのアンテナ間の距離１２は、動作波長の約０．４波長となる距離を選ぶ。そしてアンテナ１１aに対してアンテナ１１bの位相差が−９０度となるように入力する。このようにすると、アンテナ１１a側に指向性を持つビームパターン５００が形成され、アンテナ１１b方向には、ほとんど電波が放射されない。また、アンテナ１１bに対してアンテナ１１aとの位相差が−９０度となるように入力するとアンテナ１１b側に指向性を持つビームパターン５０１が形成される。

図１１は、ビームパターンテーブルの例を示す図である。
本実施例においても、ビームパターンテーブルには、アンテナの給電パターンの組み合わせを設定し、ビームパターンテーブルを基地局制御部に登録する。本実施例においては、１１a、１１bを同位相で給電を行い、ＭＩＭＯとして動作をビームパターンＩＤ１として登録する。次にアンテナ１１aを給電, アンテナ１１bをアンテナ１１aに対して位相差を−９０度とし、給電側に単指向性を放射するアンテナ構成をビームパターンＩＤ２として登録する。最後に、アンテナ１１bを給電し, アンテナ１１aをアンテナ１１bに対して位相差を−９０度とし、給電側に単指向性を放射するアンテナ構成をビームパターンＩＤ３として登録する。登録されたテーブルを元にビームパターンを切り替える。

図１２は、本実施例のフェムト基地局の構成を示す図である。
本実施例のフェムト基地局は基地局制御部１０１とインターフェイス部１０５とデジタル信号処理部１５０と無線アナログ部１０７で構成されている。実施例１と比較するとアンテナの前にスイッチを使用しない構成となっている。デジタル信号処理部１５０は信号処理を行うモデム機能部１５１と信号の位相を変化させる位相器機能部１５２aと１５２bを備えている。アンテナ１１aとアンテナ１１bの入力信号の位相差が−９０度となるように位相器機能部１５２aと１５２bの位相を変化させる機能を備えている。ダウンリンク電力検知については、実施例１と同様なので説明を省略する。

図８は本発明の実施例２のセル間干渉回避制御後に形成されたセルレイアウトの例を示す図である。
原理については、実施例１と同様なので説明を省略する。
本実施例では、アンテナが２本である場合を例にとって説明しているが、アンテナが２本より多くてもよく、各アンテナに対する給電、ショートのパターンは、ビームパターンテーブルにいくつ登録してもよく、また、必要なパターンのみ登録しておいてもよい。以上説明したようにビームフォーミングのパターンをテーブルに登録し、ビーム制御動作を実施することで、複雑な構成を必要とせずにビームフォーミングを実現し、隣接するセルの干渉を低減するフェムト基地局を提供することができる。その結果、設置場所が限られ、セル間干渉が発生する位置に複数のフェムト基地局を設置せざるを得ない場合でも、セル間干渉を回避することができ、接続可能なユーザ数を向上させることができる。

１０a、１０b、１０c フェムト基地局
１１a、１１bアンテナ
１０１ 基地局制御部
１０２ ＣＰＵ
１０３ ＲＡＭ
１０４ ＲＯＭ
１０５ インターフェイス部
１０６、１５０ デジタル信号処理部
１０７ 無線アナログ処理部
２００ アナログ送信部
２０１ アナログ受信部
２０２ ミキサ
２０３、２０４、２０８ スイッチ
２０５、２０６ 低ノイズパワーアンプ
２０７ デュプレクサ
１５１ モデム機能部
１５２ 位相器機能部

Claims (7)

1. 複数のアンテナを有する基地局装置であって、
   前記複数のアンテナへの給電の有無を切り替える複数のスイッチと、前記複数のアンテナすべてに給電する給電パターンと、前記複数のアンテナの一部に給電し他のアンテナは無給電とすることで指向性を有するビームパターンを形成できるアンテナの給電パターンとを予め記憶しておく記憶部と、ダウンリンク信号から周辺基地局装置の電力情報を取得する受信装置と、基地局装置の各部を制御する制御部を有し、
   前記取得した周辺基地局装置の電力情報が予め定めた閾値より高い場合には、予め決められた順番で前記記憶部に記憶しておいたアンテナの給電パターンに基づき前記複数のスイッチの制御と周辺基地局の電力情報の取得を行った結果選択した給電パターンを用いて無線送信信号の制御を行うことを特徴とする基地局装置。
2. 複数のアンテナを有する基地局装置であって、
   指向性を有するビームパターンを形成できるアンテナへの入力信号の位相差の組み合わせパターンを予め記憶しておく記憶部と、ダウンリンク信号から周辺基地局装置の電力情報を取得する受信装置と、基地局装置の各部を制御する制御部を有し、
   前記取得した周辺基地局装置の電力情報が予め定めた閾値より高い場合には、予め決められた順番で前記記憶部に記憶しておいた位相差の組み合わせパターンに基づき前記複数のアンテナに入力する信号の位相差の制御と周辺基地局の電力情報の取得を行った結果選択した位相差の組み合わせパターンを用いて、無線送信信号の制御を行うことを特徴とする基地局装置。
3. 請求項１または２に記載の基地局装置であって、前記複数のアンテナすべてに給電する給電パターンを選択した場合には、ＭＩＭＯで動作することを特徴とする基地局装置。
4. 請求項３に記載の基地局装置であって、前記無線送信信号の制御を、電源投入時に行うことを特徴とする基地局装置。
5. 請求項３に記載の基地局装置であって、前記無線送信信号の制御を周期的に、または外部からの実行命令に基づき実行することを特徴とする無線基地局。
6. 複数のアンテナを有する基地局装置における無線信号の送信方法であって、
   前記複数のアンテナすべてに給電する給電パターンと、前記複数のアンテナの一部に給電し他のアンテナは無給電とすることで指向性を有するビームパターンを形成できるアンテナの給電パターンとを予め記憶し、
   ダウンリンク信号から周辺基地局装置の電力情報を取得し、
   前記取得した周辺基地局装置の電力情報が予め定めた閾値より高い場合には、予め決められた順番で給電パターンに基づきアンテナへの給電の有無の制御と周辺基地局の電力情報の取得を行った結果選択した給電パターンを用いて無線信号の送信を行う無線信号送信方法。
7. 請求項６に記載の無線信号送信方法であって、アンテナの給電パターンの代わりに、アンテナへの入力信号の位相差の組み合わせパターンを用いることを特徴とする無線信号送信方法。

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