JP2783222B2 - 移動通信システムのアンテナ利得制御装置 - Google Patents

移動通信システムのアンテナ利得制御装置

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JP2783222B2
JP2783222B2 JP7294206A JP29420695A JP2783222B2 JP 2783222 B2 JP2783222 B2 JP 2783222B2 JP 7294206 A JP7294206 A JP 7294206A JP 29420695 A JP29420695 A JP 29420695A JP 2783222 B2 JP2783222 B2 JP 2783222B2
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敏仁 金井
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    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動通信システム
のアンテナ利得制御装置に関し、特に複数の指向性パタ
ンを有するアンテナを用いる移動通信システムのアンテ
ナ利得制御装置に関するものである。

【0002】

【従来の技術】自動車電話システムのような移動通信シ
ステムでは、複数の無線ゾーンに基地局を分散配置する
ことにより、広い範囲に分布する移動局に対して通信サ
ービスを提供しており、このような方式はセルラー方式
と呼ばれている。セルラー方式では、基地局と移動局と
の通信可能距離が大きい方が、同じ範囲をカバーするの
に必要な基地局が少なくて済むことから、より経済的な
移動通信システムを構築することができる。

【0003】この基地局と移動局との通信可能距離は、
伝搬特性の他に、無線機送信電力、アンテナ利得、変復
調方式などの無線伝送技術にも依存する。但し、無線機
の送信電力は、移動局(特に携帯端末)側において通話
可能時間や人体への電磁波の影響から、むやみに増加さ
せることはできない。送信電力を増加させる代わりに、
基地局アンテナの利得を増加させることにより、通信可
能距離を大きくすることができる。

【0004】従来、通信可能距離を大きくする方法とし
て、自動車電話システムとは異なるが、コードレス電話
システムの親機(自動車電話システムの基地局に相当)
または子機(自動車電話システムの移動局に相当)にお
いて、指向性の高い高利得アンテナを使用して、通信可
能距離を大きくするようにしたものが提案されている
(例えば、特開平5−327612号公報など)。

【0005】この方法では、コードレス電話システムの
親機もしくは子機に無指向性アンテナと指向性アンテナ
の両方を具備しておき、通常は無指向性アンテナにより
親機と子機との間で通信を行い、親機と子機との距離が
大きくなり無指向性アンテナでは接続不可能な場合に
は、無指向性アンテナから指向性アンテナに切り替える
ことにより、通話距離を延長して接続可能とするように
したものである。

【0006】無指向性アンテナを用いて通信する場合に
は指向性の方向に注意を払う必要はないが、指向性アン
テナを用いて通信する場合には、常に指向性の方向に注
意を払う必要がある。前述の方法によれば、指向性を通
信相手に向けておく具体的な方法は示されていないが、
子機(移動局)の場合、使用者が手動で行うことが可能
である。また子機もしくは親機において機械的な方法や
電気的な方法により、自動的に指向性を通信相手の方向
に制御することも考えられ、将来的には電気的に指向性
の制御を行うアダプティブアレーなどの使用が、追従性
や信頼性の方向で有望である。

【0007】

【発明が解決しようとする課題】したがって、このよう
な従来の移動通信システムでは、無指向性/指向性アン
テナを切り替え制御する場合、まず無指向性アンテナに
て通信可能かどうか試験し、通信不可能であった場合に
指向性アンテナにて再度通信を開始するものとなってい
るため、アンテナの選択に時間を要し接続遅延が増加す
るという問題点があった。また、無指向性アンテナを使
用して通信が可能な範囲内では、必ず無指向性アンテナ
を使用するものとなることから、基地局の比較的近くに
静止する移動局に対しても大きな送信電力を要する無指
向性アンテナを用いて通信を行うものとなり、送信電力
を浪費するという問題点があった。

【0008】さらに、指向性アンテナを使用して通信を
行っている場合には、移動局の比較的速い移動などによ
り、通信相手にアンテナの指向性を追従させることが不
可能となる危険性があるとともに、その後再び移動局を
検出して指向性の方向を制御して通信を再開することが
できないという問題点があった。本発明はこのような課
題を解決するためのものであり、短時間でアンテナ切替
ができ、また送信電力とアンテナ利得とを制御して効率
よく通信できる移動通信システムのアンテナ利得制御装
置を提供することを目的としている。

【0009】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による移動通信システムのアンテナ利
得制御装置は、移動局と基地局との間の伝搬損失を算出
する伝搬損失算出手段と、この伝搬損失の下で通信を行
うのに必要なアンテナ利得最小値を算出するアンテナ利
得最小値算出手段と、通信相手との無線通信に用いる指
向性パタンを選択するための情報として、アンテナ利得
最小値以上のアンテナ利得を選択出力するアンテナ利得
選択手段と、アンテナ利得最小値算出手段により新たに
算出したアンテナ利得最小値と直前の制御により選択し
たアンテナ利得とを比較するアンテナ利得比較手段と、
通信相手から受信した受信信号に関する通信品質を算出
する通信品質算出手段とを備えるものである。

【0010】そして、アンテナ利得選択手段により、直
前の制御により選択したアンテナ利得が新たに算出した
アンテナ利得最小値以上であって、かつ通信品質が所定
値以上であり指向性の追従ができていると判断した場合
には、所定値分だけ直前の制御により選択したアンテナ
利得を増加させた新たなアンテナ利得を選択出力するこ
とによりビーム幅を狭くするようにしたものである。し
たがって、伝搬損失算出手段により算出された移動局と
基地局との間の伝搬損失に基づいて、アンテナ利得最小
値算出手段により、この伝搬損失の下で通信を行うのに
必要なアンテナ利得最小値が算出され、アンテナ利得選
択手段により、通信相手との無線通信に用いる指向性パ
タンを選択するための情報として、アンテナ利得最小値
以上のアンテナ利得が選択出力される。

【0011】また、アンテナ利得選択手段により、直前
の制御により選択したアンテナ利得が新たに算出したア
ンテナ利得最小値以上であって、かつ通信品質が所定値
未満であり指向性の追従ができていないと判断した場合
には、所定値分だけ直前の制御により選択したアンテナ
利得を減少させた新たなアンテナ利得を選択出力するこ
とによりビーム幅を広くするようにしたものである。し
たがって、アンテナ利得選択手段にて、直前の制御によ
り選択したアンテナ利得が新たに算出したアンテナ利得
最小値以上であって、かつ通信品質が所定値未満である
場合には、所定値分だけ直前の制御により選択したアン
テナ利得を減少させた新たなアンテナ利得が選択出力さ
れる。

【0012】

【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して説明する。図1は本発明の一実施の形態であるアン
テナ利得制御装置を有する基地局を示すブロック図であ
る。なお、ここでは本発明を基地局に適用した場合を例
に説明するが、本発明を移動局にも適応することができ
る。図1において、10は4つの素子からなるアンテ
ナ、11は通信チャネルおよび制御チャネルごとにアン
テナ指向性を設定するための重み付け回路、12は通話
チャネル用の無線送受信機、13は制御チャネル用の無
線送受信機である。

【0013】14は移動局40から送信される希望波対
干渉波電力比(以下、CIRという)を最大にする最適
な重み計数を計算して重み付け回路11に出力する通話
チャネル用重み制御装置、20は通信チャネル用のアン
テナ利得および送信電力を決定する通信チャネル用アン
テナ利得制御回路、15は制御チャネル用の指向性パタ
ンが回転するように重み計数を計算して重み付け回路1
1に出力する制御チャネル用重み制御回路、30は制御
チャネルのビーム方向を重み制御回路15に指示するア
ンテナ指向性制御回路である。

【0014】なお、ここでは基地局アンテナの指向性パ
タンを電気的に回転させるようにした場合を例に説明す
るが、機械的に指向性パタンを回転させるようにしても
良い(例えば、特開昭59−152739号公報)。ま
た、通信チャネル用重み制御装置14で行われる、移動
局ごとにCIRを最大にする最適な重みの求め方、およ
び制御チャネル用重み制御装置15で行われる、指示さ
れたビーム方向を実現するための重みの求め方について
は、公知の方法、例えば「IEEE Trans. Antennas and P
ropagation, Special Issue on Adaptive Processing A
ntennas System, Vol.AP-34, No.3, Mar.1986.」などに
記載されている方法を用いるものとし、ここでの説明は
省略する。

【0015】図2は本発明の第1の実施の形態による通
信チャネル用アンテナ利得制御装置を示すブロック図で
あり、21は制御チャネル用無線送受信機13または通
信チャネル用無線送受信機12からの移動局送信電力、
移動局アンテナ利得、基地局受信電力、および基地局ア
ンテナ利得に基づいて、移動局から基地局への上り回線
から移動局および基地局間の伝搬損失を算出する伝搬損
失算出部である。

【0016】22はこの伝搬損失に基づいて、基地局に
て受信される受信信号の通話品質が所定値になるような
アンテナ利得の最小値を算出するアンテナ利得最小値算
出部、23はこのアンテナ利得最小値以上の所定のアン
テナ利得を選択するアンテナ利得選択部、24は算出さ
れた伝搬損失に基づいて移動局における受信通信品質が
所定値以上となるような適当な基地局送信電力を算出す
る送信電力算出部である。

【0017】次に、図3を参照して、本発明の第1の実
施の形態による通信チャネル用アンテナ利得制御装置の
動作を説明する。図3は通信チャネル用アンテナ利得制
御装置の動作を示すフローチャートである。通信開始時
には、制御チャネル用無線送受信機13から移動局送信
電力TMS、移動局アンテナ利得GMS、基地局受信電力R
BS、および基地局アンテナ利得GBSが伝搬損失算出部2
1に入力される(ステップS100〜S103)。

【0018】なお、移動局送信電力および移動局アンテ
ナ利得が固定化されている場合には、予め通信チャネル
用アンテナ利得装置20内に記憶しておくことにより、
これら値の入力を省略できる。また、移動局送信電力お
よび移動局アンテナ利得が可変の場合には、移動局がこ
れら値を発信要求信号または着信応答信号に格納するこ
とにより制御チャネル用無線送受信機13に通知し、こ
れが伝搬損失算出部21に入力される。

【0019】さらにまた、基地局受信電力および基地局
アンテナ利得は自局内情報であることから、制御チャネ
ル用無線送受信機13により直接求められ、伝搬損失算
出部21に入力される。一方、通信中には、適時、通信
チャネル用無線送受信機12によりこれら値が求めら
れ、伝搬損失算出部21に入力される。

【0020】なお、移動局送信電力および移動局アンテ
ナ利得が固定化されている場合には、予め通信チャネル
用アンテナ利得装置20内に記憶しておくことにより、
これら値の入力を省略できる。また、移動局送信電力お
よび移動局アンテナ利得が可変の場合には、移動局がこ
れら値を通信中制御信号に格納することにより通話チャ
ネル用無線送受信機12に通知し、これが伝搬損失算出
部21に入力される。

【0021】さらにまた、基地局受信電力は通信チャネ
ル用無線送受信機12により測定されて伝搬損失算出部
21に入力される。また、基地局アンテナ利得は、通信
用アンテナ利得制御装置20自身が設定する値であるこ
とから、その入力が省略される。

【0022】このようにして入力された各値に基づい
て、伝搬損失算出部21により、移動局から基地局への
上り回線から移動局と基地局との間の伝搬損失Lが、次
のように求められる(ステップS104)。 L=TMS+GMS+GBS−RBS 続いて、アンテナ利得最小値算出部22では、この伝搬
損失Lの下で、基地局にて所定の通話品質が得られる受
信レベルRreq を検出できるようなアンテナ利得であっ
て、その最小値GBSmin'を算出する(ステップS10
5)。 GBSmin'=L−TMS−GMS+Rreq

【0023】これに基づいて、アンテナ利得選択部23
は、基地局における受信通話品質が所定値以上となるよ
うに、アンテナ利得GBS' としてアンテナ利得最小値G
BSmi n'以上の適当な値を選択し(ステップS106)、
重み制御回路14に通知するとともに、送信電力算出部
24に出力する。なお、ここでは、アンテナ利得を大き
く設定するほど、基地局および移動局の送信電力の低減
効果も大きくなるが、ビーム幅が狭くなるため移動局の
追尾が外れやすくなることから、この点を考慮してアン
テナ利得を設定する必要がある。

【0024】送信電力算出部24は、現在の伝搬損失L
の下で、移動局にて所定の通話品質が得られる受信レベ
ルRreq を検出できるような送信電力TBS' を算出し
(ステップS107)、 TBS' =L−GMS−GBS' +Rreq この値を通信チャネル無線送受信機12に通知する。

【0025】このようにして、移動局送信電力、移動局
アンテナ利得、基地局受信電力および基地局アンテナ利
得に基づいて、通信チャネル用アンテナ利得制御装置2
0により、アンテナ利得GBS' および送信電力TBS' が
決定される。この送信電力TBS'に基づいて、通信チャ
ネル用無線送受信機12から最適レベルの送信信号が出
力される。

【0026】また通信チャネル用アンテナ利得制御装置
20からのアンテナ利得GBS' に基づいて、通話チャネ
ル用重み制御装置14により、移動局40から送信され
るCIRを最大にする最適な重み計数が計算され、この
重み計数に基づいて重み付け回路11により、任意の通
信チャネルのアンテナ指向性が設定され、最適な受信レ
ベルが得られる。

【0027】このように、通信チャネル用アンテナ利得
制御装置20を設けて、通信開始時には制御チャネルを
用いるとともに、通信中には通信チャネルを用いて、移
動局から基地局への上り回線から移動局と基地局との間
の伝搬損失を算出し、その伝搬損失の下において所定の
通話品質が得られるアンテナ利得を決定するようにした
ものである。

【0028】したがって、このアンテナ利得が得られる
ようにアンテナ指向性を制御し、あるいはこのアンテナ
利得を有するアンテナを選択することにより、従来のよ
うに無指向性アンテナまたは指向性アンテナを用いて実
際に通信を行うことによって使用するアンテナを選択す
るようにした場合と比較してアンテナ選択に要する時間
を大幅に短縮できるとともに、CIRが大きくなること
から干渉波受信レベルが小さくなり周波数をより有効に
利用することが可能となる。

【0029】次に、図4を参照して、本発明の第2の実
施の形態について説明する。図4は本発明の第2の実施
の形態による通信チャネル利得制御を装置ノブロック図
であり、前述の説明(図2参照)と同じまたは同等部分
には同一符号を付してある。

【0030】同図において、25は直前の制御において
アンテナ利得選択部23が選択したアンテナ利得GBS
記憶しておき、このGBSと今回の制御にてアンテナ利得
最小値算出部22により算出されたアンテナ利得の最小
値GBSmin'とを比較するアンテナ利得比較部、26は受
信信号のCIR、BER(Bit Error Rate)、FER
(Frame Error Rate)などの通信品質を測定算出する通
信品質算出部である。

【0031】次に、図5を参照して、本発明の第2の実
施の形態による通信チャネル用アンテナ利得制御装置の
動作を説明する。図5は通信チャネル用アンテナ利得制
御装置の動作を示すフローチャートである。まず、前述
(図3参照)と同様に、制御チャネル用無線送受信機1
3または通信チャネル用無線送受信機12から移動局送
信電力TMS、移動局アンテナ利得GMS、基地局受信電力
BS、および基地局アンテナ利得GBSが伝搬損失算出部
21に入力される(ステップS100〜S103)。

【0032】続いて、伝搬損失算出部21により、移動
局から基地局への上り回線から移動局と基地局との間の
伝搬損失Lが算出されるとともに(ステップS10
4)、この伝搬損失に基づいてアンテナ利得最小値算出
部22によりアンテナ利得最小値GBSmin'が算出される
(ステップS105)。ここで、アンテナ利得比較部2
5により、直前の制御においてアンテナ利得選択部23
が選択したアンテナ利得GBSと、今回の制御にてアンテ
ナ利得最小値算出部22により算出されたアンテナ利得
の最小値GBSmin'とが比較され、その結果がアンテナ利
得選択部23に通知される(ステップS108)。

【0033】アンテナ利得選択部23は、アンテナ利得
比較部25からの比較結果が、GBS<=GBSmin'を示す
場合には(ステップS108:NO)、GBSmin'以上の
適当な値にアンテナ利得GBS' を更新する(ステップS
106)。一方、アンテナ利得比較部25からの比較結
果が、GBS>GBSmin'を示す場合には(ステップS10
8:YES)、通話品質のチェックを行う。

【0034】通信品質算出部26は、通信チャネル無線
送受信機12または制御チャネル無線送受信機13から
の受信信号に基づいて、CIR、BER(Bit Error Ra
te)、FER(Frame Error Rate)などの通信品質を測
定し、その結果をアンテナ利得選択部23に通知するも
のとなっており、アンテナ利得選択部23は、この通話
品質と所定値とを比較する(ステップS109)。

【0035】ここで、測定された現在の通話品質が所定
値を上回っている場合には(ステップS109:YE
S)、所定値分xだけ直前のアンテナ利得GBSを増加さ
せたものを今回のアンテナ利得GBS' とする(ステップ
S110)。一方、測定された現在の通話品質が所定値
以下の場合には(ステップS109:NO)、所定値分
xだけ直前のアンテナ利得GBSを減少させたものを今回
のアンテナ利得GBS' とする(ステップS111)。

【0036】したがって、アンテナ利得選択部23は、
ステップS106,S110,S111にて今回のアン
テナ利得GBS' を選択し、重み制御回路14に通知する
とともに、送信電力算出部24に出力する。また、送信
電力算出部24は、現在の伝搬損失Lの下で、移動局に
て所定の通話品質が得られる受信レベルRreq を検出で
きるような送信電力TBS' を算出し(ステップS10
7)、この値を通信チャネル無線送受信機12に通知す
るものとなる。

【0037】このように、直前の制御において選択した
アンテナ利得GBSと、今回の制御にて算出されたアンテ
ナ利得の最小値GBSmin'とを比較し、GBSmin'がGBS
り小さく、測定した現在の通話品質が所定値を上回って
いる場合には、所定値分xだけ直前のアンテナ利得GBS
を増加させたものを今回のGBS' とするようにしたの
で、通信相手との通信が可能である限り、ビーム幅の狭
い高利得のアンテナとなるようにアンテナ指向性が制御
され、あるいはこのようなアンテナ指向性を有するアン
テナが選択されるものとなり、送信電力を必要最低限に
抑制することが可能となる。

【0038】また、直前の制御において選択したアンテ
ナ利得GBSと、今回の制御にて算出されたアンテナ利得
の最小値GBSmin'とを比較し、GBSmin'がGBSより小さ
く、測定した現在の通話品質が所定値以下の場合には、
所定値分xだけ直前のアンテナ利得GBSを減少させたも
のを今回のGBS' とするようにしたので、通信相手との
通信が不可能となった場合には、ビーム幅の広いアンテ
ナとなるようにアンテナ指向性が制御され、あるいはこ
のようなアンテナ指向性を有するアンテナが選択される
ものとなり、より広範囲に通信相手を追尾することが可
能となる。

【0039】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、伝搬損
失算出手段により算出された移動局と基地局との間の伝
搬損失に基づいて、アンテナ利得最小値算出手段によ
り、この伝搬損失の下で通信を行うのに必要なアンテナ
利得最小値を算出し、アンテナ利得選択手段により、通
信相手との無線通信に用いる指向性パタンを選択するた
めの情報として、アンテナ利得最小値以上のアンテナ利
得を選択出力するようにしたものである

【0040】したがって、このアンテナ利得が得られる
ようにアンテナ指向性を制御し、あるいはこのアンテナ
利得を有するアンテナを選択することにより、従来のよ
うに無指向性アンテナまたは指向性アンテナを用いて実
際に通信を行うことによって使用するアンテナを選択す
るようにした場合と比較してアンテナ選択に要する時間
を大幅に短縮できるとともに、CIRが大きくなること
から干渉波受信レベルが小さくなり周波数をより有効に
利用することが可能となり、効率の良い無線通信が実現
される。

【0041】また、直前の制御により選択したアンテナ
利得が新たに算出したアンテナ利得最小値以上であっ
て、かつ通信品質が所定値以上である場合には、所定値
分だけ直前の制御により選択したアンテナ利得を増加さ
せた新たなアンテナ利得を選択出力するようにしたの
で、通信相手との通信が可能である限り、ビーム幅の狭
い高利得のアンテナとなるようにアンテナ指向性が制御
され、あるいはこのようなアンテナ指向性を有するアン
テナが選択されるものとなり、送信電力を必要最低限に
抑制することが可能となる。

【0042】また、直前の制御により選択したアンテナ
利得が新たに算出したアンテナ利得最小値以上であっ
て、かつ通信品質が所定値未満である場合には、所定値
分だけ直前の制御により選択したアンテナ利得を減少さ
せた新たなアンテナ利得を選択出力するようにしたの
で、通信相手との通信が不可能となった場合には、ビー
ム幅の広いアンテナとなるようにアンテナ指向性が制御
され、あるいはこのようなアンテナ指向性を有するアン
テナが選択されるものとなり、より広範囲に通信相手を
追尾することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図1】 本発明の一実施の形態による無線通信システ
ムのブロック図である。

【図2】 本発明の第1の実施の形態による通信チャネ
ル利得制御装置のブロック図である。

【図3】 図2の通信チャネル利得制御装置の動作を示
すフローチャートである。

【図4】 本発明の第2の実施の形態による通信チャネ
ル利得制御装置のブロック図である。

【図5】 図4の通信チャネル利得制御装置の動作を示
すフローチャートである。

【符号の説明】

10…アンテナ、11…重み付け回路、12…通信チャ
ネル用無線送受信機、13…制御チャネル用無線送受信
機、14…通信チャネル用重み制御装置、15…制御チ
ャネル用重み制御装置、20…通信チャネル用アンテナ
利得制御装置、21…伝搬損失算出部、22…アンテナ
利得最小値算出部、23…アンテナ利得選択部、24…
送信電力算出部、25…アンテナ利得比較部、26…通
信品質算出部、30…制御チャネル用アンテナ利得制御
装置。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の無線ゾーンにそれぞれ配設された
    基地局と、これら基地局と無線通信を行う移動局とから
    なり、基地局または移動局が任意の指向性パタンを有す
    るアンテナを用いて無線通信を行う移動通信システムに
    おいて、 移動局と基地局との間の伝搬損失を算出する伝搬損失算
    出手段と、 この伝搬損失の下で通信を行うのに必要なアンテナ利得
    最小値を算出するアンテナ利得最小値算出手段と、 通信相手との無線通信に用いる指向性パタンを選択する
    ための情報として、前記アンテナ利得最小値以上のアン
    テナ利得を選択出力するアンテナ利得選択手段と アンテナ利得最小値算出手段により新たに算出したアン
    テナ利得最小値と直前の制御により選択したアンテナ利
    得とを比較するアンテナ利得比較手段と、 通信相手から受信した受信信号に関する通信品質を算出
    する通信品質算出手段とを備え、 アンテナ利得選択手段は、直前の制御により選択したア
    ンテナ利得が新たに算出したアンテナ利得最小値以上で
    あって、かつ通信品質が所定値以上であり指向性の追従
    ができていると判断した場合には、所定値分だけ直前の
    制御により選択したアンテナ利得を増加させた新たなア
    ンテナ利得を選択出力することによりビーム幅を狭くす
    るようにした ことを特徴とする移動通信システムのアン
    テナ利得制御装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の移動通信システムのアン
    テナ利得制御装置において、アンテナ利得選択手段は、直前の制御により選択したア
    ンテナ利得が新たに算出したアンテナ利得最小値以上で
    あって、かつ通信品質が所定値未満であり指向性の追従
    ができていないと判断した場合には、所定値分だけ直前
    の制御により選択したアンテナ利得を減少させた新たな
    アンテナ利得を選択出力することによりビーム幅を広く
    するようにした ことを特徴とする移動通信システムのア
    ンテナ利得制御装置。
JP7294206A 1995-11-13 1995-11-13 移動通信システムのアンテナ利得制御装置 Expired - Lifetime JP2783222B2 (ja)

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