JP3401248B2 - ダイバシティを備えた無線通信装置 - Google Patents

ダイバシティを備えた無線通信装置

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JP3401248B2 JP51125693A JP51125693A JP3401248B2 JP 3401248 B2 JP3401248 B2 JP 3401248B2 JP 51125693 A JP51125693 A JP 51125693A JP 51125693 A JP51125693 A JP 51125693A JP 3401248 B2 JP3401248 B2 JP 3401248B2
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    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明はGSMセルラ無線システムのような通信シス
テムのために受信の際におけるダイバシティを提供する
装置および方法に関連する。
従来技術の説明 900MHzのオーダの周波数で動作するGSMセルラ無線シ
ステムのような無線システムにおいては信号が送信ユニ
ットから受信ユニットへと数多くの経路を通って伝搬し
かつ、受信ユニットにおいては、このためマルチパスフ
ェーディングを生じるという問題がある。
距離的に分離され、別個の受信チャネルに信号を供給
する、２つまたはそれ以上の受信アンテナが提供されれ
ば、種々のチャネルのフェーディングは多かれ少なかれ
独立的になり、すなわち、全てのチャネルが一緒にフェ
ーディングを生じることが生じにくくなる。ダイバシテ
ィ結合（diversity combining）として知られた技術は
いくつかの受信信号を使用して実現される信号対雑音比
を改善しかつしたがってビットエラー率を改善する。例
えば、典型的なデュアルダイバシティ（２チャネル）の
システムは10dBの信号対雑音比（SNR）の改善を与える
ことができる。
文献“Motorola Technical Developments Bulleti
n Vol.10,1990年３月，アメリカ合衆国イリノイ州シャ
ンバーグ、62〜63頁、Tayloeの“Space Diversity Ho
pper for Digital Data Transmission"は、GSMシス
テムにおけるベースサイトの２つまたはそれ以上のアン
テナ間を切り換えることにより、フェーディングを受け
ていない付加的な相関のないサンプルを得るために空間
ダイバシティホッピングを提供することについて述べて
いる。
ダイバシティを提供することは大きなコストなしには
できない。単に主およびダイバシティ信号を組合わせる
ことはできないが、それはこれらの信号は同じ確率で相
加的に（additively）かつ破壊的に（destructively）
干渉し得るからである。受信増幅器および復調器を含む
受信回路を２重化する必要がある。
２重化した回路の付加的なコストなしにダイバシティ
を提供することが望ましい。
発明の概要 本発明によれば、複数の呼を受信するための無線通信
装置が提供され、該無線通信装置は複数の周波数に同調
可能な複数の受信機、第１および第２のアンテナ、前記
第１および第２のアンテナの内の選択されたものに前記
複数の受信機を切換えるためのスイッチング手段、およ
び前記複数の受信機に結合され受信機を呼を受信するた
めに同調する制御手段を具備し、前記制御手段は、 前記アンテナの内の第１のものを介してかつ前記複数
の受信機の内の第１のものを介して受信された低品質の
受信呼を識別するための手段、呼を受信するために必要
とされないスペアの受信機を識別するための手段、前記
スイッチング手段を前記スペアの受信機が前記第２のア
ンテナを介して前記呼を受信するよう切り換えさせるた
めの手段、前記スペアの受信機を前記低品質の呼の周波
数に同調するための手段、そして前記第１の受信機によ
る呼と前記スペアの受信機による呼とをダイバシティ結
合するための手段を具備する。
このようにして、前記制御手段はスペアのチャネル容
量を使用して受信機ユニットを前記ダイバシティアンテ
ナに動的に割り当て、かつこのようにして低い品質であ
ると判定された呼に対する第２のソースが提供される。
本発明は、セルラ無線システムのある与えられたセル
において、ベースステーションを通る呼の一部のみがダ
イバシティ結合から実質的に利益を受けるような低品質
のものであることの認識を利用する。本発明はまたある
時間に受信ユニットはめったに100％の容量にならず、
したがってしばしばダイバシティの目的で使用できるス
ペアのチャネル容量があることを認識する。
本発明は、全ての受信ユニットを２重化するよりは、
ダイバシティの目的に動的に割当てることができる１つ
またはそれ以上の余分の受信ユニットを加える能力を提
供する。
時分割多重システムにおいては、スペアの受信ユニッ
トは各々のタイムスロットに対して識別される（それは
各々のタイムスロットにおいて異なるユニットであって
も良い）。本発明の好ましい特徴として、前記制御手段
は進行している（on−going calls）呼を時間的に異な
るタイムスロットの間で分散させ、それによって、可能
なかぎり、各タイムスロットにスペアチャネル容量が存
在するようにする。このスペアチャネル容量は次にダイ
バシティのために使用できる。
本発明のさらに他の特徴として、前記受信アンテナは
セクタ化されかつ前記ダイバシティアンテナは前記受信
アンテナの隣接セクタとすることができる。この特徴は
セクタ化されたアンテナの隣接セクタのロブ（lobes）
は通常ある程度オーバラップし、したがって移動ユニッ
トからの信号があるセクタ化されたアンテナの２つの放
射方向に分離されたセクタで受信できることがしばしば
あることを認識している。この特徴は第２の物理的に分
離されたアンテナを持つ必要性を除去し、それによって
さらにコストを低下させる。
本発明は現存する機器を、単に適切に切り換えること
によりかつ適切なソフトウェアによって、より完全に利
用することによりダイバシティを有利に提供する。
図面の簡単な説明 図１は本発明に係わるベースステーションの受信回路
のブロック図である。
図２は、異なるタイムスロットで図１の受信チャネル
ユニット（RCU）を通る呼を示す説明図である。
図３は、本発明の第２および第３の実施例によるベー
スステーションの受信回路のブロック図である。
図４は、セクタ化されたセルの説明図である。
好ましい実施例の詳細な説明 図１を参照すると、同図の回路は10〜14と番号が付さ
れた５個の受信チャネルユニット（RCU）を具備する。
本発明は任意の数のRCUに対しても同様に適用できる。
これらのユニットの各々は、増幅回路、同調回路、およ
び復調回路（図示せず）を具備し、これらのユニットの
各々の出力はボコーダに供給するための13Kビットの符
号化音声である。各々のRCUは選択された周波数に同調
可能であり、該周波数はベースステーションによってサ
ービスを受けるセルに割当てられた周波数でありかつセ
ルラ無線システムに対する周波数のセット全体から選択
される。
図１にはまた２つのアンテナ、「メイン」アンテナ15
および「ダイバシティ」アンテナ16が示されている。こ
れらはそれぞれスプリッタ17および18に接続されてお
り、該スプリッタの各々はそのアンテナから受信した信
号をいくつの別個の信号に分割する。スプリッタ17およ
び18はスイッチマトリクス19を介してRCU10〜14に接続
されている。スイッチマトリクス14はRCU10〜14内のい
ずれか１つまたはそれ以上をタイムスロットごとのベー
スでスプリッタ17または18のいずれかに接続するよう構
成されている。
RCU10〜14はマイクロプロセッサの形式のコントロー
ラ20の制御のもとにある。RCUは次にスイッチマトリク
ス19からの同軸ケーブルを使用してスイッチマトリクス
19を制御し1200ボーのデータを他の方向に進むRF信号に
より多重化してスイッチマトリクス19に渡す。RCUから
制御データを受信することに代えて、スイッチマトリク
ス19が接続できるローカルエリアネットワークによって
コントローラ20から直接制御を与えることもできる。
コントローラ20は呼を受信するため（かつ送信するた
め）チャネルのセットアップおよびタイムスロットの割
当てを制御する。
コントローラ20が呼をセットアップするために周波数
およびタイムスロットの割当てを制御する方法は図２に
示されている。この図において、８個のタイムスロット
がTDMA配列で示されておりかつ５個の受信チャネルユニ
ットが示されている。「チャネル」は特定のタイムスロ
ットで特定の周波数に同調したRCUである。単一の周波
数は８個のチャネルを生成することができ、かつ５個の
RCUを有するベースステーションは40のチャネルを通す
ことができる。図２に示されるように、示された第１の
タイムスロット（T1）で、RCU10は周波数F1に同調さ
れ、RCU11,12および13はそれぞれ周波数F2,F3およびF4
に同調しかつ、この例においてかつ本発明の少なくとも
その好ましい実施例においては、RCU14は周波数F1に同
調している。このようにして、RCU14はRCU10と並行して
ダイバシティ受信チャネルユニットとして使用されてい
る。
再び図１を参照すると、RCU10はRCU10をスプリッタ17
に接続するようスッチマトリクス19を制御しかつRCU14
はRCU14をスプリッタ18に接続するよう前記マトリクス
を制御し、それによってこれらのRCUがそれぞれメイン
アンテナ15およびダイバシティアンテナ16から信号を受
信できるようにする。同じ呼は２つの別個のRCUによっ
て別個に処理されかつ得られたデータストリームは選択
ダイバシティ、最大比ダイバシティはまたは等ゲインダ
イバシティを使用してダイバシティ結合することができ
る。
選択ダイバシティの例として、13Kビットの符号化音
声がイコライザおよびエラー訂正装置（図示せず）に渡
され、かつ該エラー訂正装置はビットエラー率の表示を
提供する。前記２つのビットストリームの間でより低い
ビットエラー率を有するビットストリームを選択するよ
うに選択が行なわれる。最大比ダイバシティまたは等ゲ
インダイバシティを提供するために他の構成を設けるこ
ともできる。
前記コントローラ20がダイバシティアンテナに接続す
るために特定のRCUを選択する方法は次の通りである。
各々のRCU10〜14は、それぞれ受信信号強度指示（RSS
I）およびビットエラー率（BER）を表す、RxlevおよびR
xqualと表示された信号品質の２つの測定値を提供す
る。ある与えられたタイムスロットで、コントローラ20
はRCUを通る各々の呼に対しこれら２つの指示を測定す
る。それはこれらの指示の内の一方または双方がそれぞ
れのしきい値より低いか否かを判定する。ある呼に対し
しきい値より低い場合は、コントローラ20はそのタイム
スロットで受信されている呼がないスペアのRCUがある
か否かを判定しかつ、スペアのRCUが利用できる場合
は、そのRCUを低品質の信号と同じ周波数に同調させか
つその特定の呼に対しダイバシティを適用する。
あるセルにおいて、少しの部分のユニットのみが、特
に該セルの境界におけるものが、概して、悪い信号品質
を経験する。前記RelevおよびRxqualの指示を使用する
ことにより、マルチパスフェーディングを受けやすい信
号を識別することが可能でありかつ、ダイバシティを与
えることにより、付加的なアンテナが前記信号を増強し
かつ特に前記信号における谷部（troughs）を滑らかに
することができる。
コントローラ20は、図２に示されるように、各々のタ
イムスロットにおいて呼を相関する（すなわち、個々の
移動ユニットに割当てられた周波数）マトリクスを維持
する。コントローラ20が各タイムスロットにおいてスペ
アのRCUをできる限り維持するためにタイムスロットの
割当てを管理することは本発明の好ましい特徴である。
これは図２に示されており、そこではタイムスロットT1
〜T8の各々は可能な５個の呼の内から４つのみを有して
いる。明らかに、これは呼が完全に負荷されている場合
には（すなわち、40の呼がある与えられた時間に通過し
ている場合には）不可能である。新しい呼をセットアッ
プする上で、コントローラ20は、もし可能であれば、3/
5の負荷のあるいはそれより低いタイムスロットを選択
し、それによって該タイムスロットが新しい呼を割当て
た後に最大負荷とならないようにする。これはそのタイ
ムスロットにダイバシティの目的のために依然としてス
ペアのチャネル容量があることを意味する。図２に示さ
れる状況では、新しい呼はタイムスロットT7にそのタイ
ムスロットに最大負荷を与えることなくセットアップす
ることができる。本システムは各タイムスロットが呼を
通していないスペアのRCUを持つように管理され、それ
によってスペアのRCUがダイバシティのために使用でき
るようにする。各々のタイムスロットに対し必ずしも同
じRCUである必要はない。
同様に、ある呼が終了した時、タイムスロット上のRC
Uは（呼を生成するためにキューイングしている他の移
動ユニットがある場合を除き）空きになる。この状況で
は、コントローラ20は異なるタイムスロットでスペアの
容量が利用できるようにするためそのタイムスロットに
呼を移動する能力を有する。これはセル内ハンドオーバ
（intra−cell handover）によって達成され、その場
合ベースステーションは移動ユニットに周波数の変更と
共にあるいは周波数を変えることなくそのタイムスロッ
トを変更するよう指示しかつ同時に該ベースステーショ
ンおよび移動ユニットは新しいタイムスロット（かつも
し必要であれば周波数）に変更する。
あるタイムスロットにダイバシティを必要とするユニ
ットが１つより多くある場合は、コントローラ20はその
タイムスロットで利用可能な１つより多くのスペアのRC
Uがあるよう配慮することができる。逆に、コントロー
ラ20は「問題のある（problematic）」呼を広げ（sprea
d out）、それによってそれらが同じタイムスロットで
全てが生じないようにし、それによってスペア容量がそ
れに応じて割当てられるように広げることができる。
ダイバシティはこのように呼が始まるや否や、あるい
は呼の間に、それがフェーディングを始めた時あるいは
スペアのRCUが利用可能になった時に適用することがで
きる。
ダイバシティは前記スペアのRCUが新しい呼をセット
アップすることを要求された時に停止することができ
る。
上に述べた構成は「全方向性セル（omnicell）」、す
なわち360度のメインアンテナおよび360度のダイバシテ
ィアンテナを有するセルに関して説明した。
前記第１および第２のアンテナはセクタ化されたアン
テナの隣接したアンテナであることは本発明の好ましい
特徴である。この特徴はセクタ化されたセルにおける固
有の機器をより多く活用しかつ付加的な高価なアンテナ
の必要性を除去するという利点を有する。
アンテナは一般に120度の３セクタまたは60度の６セ
クタでセクタ化される（例えば、モトローラ・インコー
ポレイテッドに譲渡された、Grazianoの米国特許第4,12
8,740号を参照）。
３セクタのアンテナの場合は、一般にその３つの主ア
ンテナと同じセクタをほぼカバーする３つのダイバシテ
ィ用アンテナを設けることが必要である。この構成が図
３に示されている。この図においては、６個のアンテナ
30〜35が示されている。120度のセクタ化されたセルの
場合は、アンテナ30,32および34は該セルの３つのセク
タにサービスを行ない、かつアンテナ31,33および35は
アンテナ30,32および34の上または下に配置されて前記
セクタの各々におけるダイバシティを提供する。これら
のアンテナはプリセレクタ40およびプリアンプ41を介し
て受信マトリクス42および43に接続されている。マトリ
クス42は主アンテナ30,32および34に接続され、かつマ
トリクス43はダイバシティアンテナ31,33および35に接
続されている。各々のマトリクスはその３つのアンテナ
のいずれか１つを６個の出力ポートのいずれか１つに切
り換えるよう構成されている。これらの出力ポートの内
の５個は図１に示されるようにRCUに接続されており、
かつ第６番目の出力ポートは試験目的のみのためのもの
である。
60度のセクタ化されたセルの場合は、図３に示された
のと同じ構成を使用できるが、この場合アンテナ30〜35
の各々はセルの異なるセクタをカバーする。この構成で
は、ダイバシティアンテナは存在しない。60度のセクタ
化されたセルを示す、図４を参照して動作を説明する。
60度のセクタ化されたセルは通常トラフィックの高い
領域においてのみ使用され、その場合５個のRCUの単一
のラック（rack）ではそのセルにサービスするのに不十
分であり、通常２つのそのようなラックが設けられる。
したがって、セルは同時に80の呼を処理することができ
る。RCUの１つのラックは、例えば、図４のセクタ1,2お
よび３にサービスを行ない、かつ他のラックはセクタ4,
5および６にサービスを行なう。
前記アンテナが正確に60度のカバレージを与えず、一
般に実質的に60度より大きなカバレージを与えることが
セクタ化されたセルの特徴である。したがって、隣接セ
クタ間でオーバラップする大きな領域がある。ある移動
ユニットが１つのセクタのエッジで動作している場合、
それはフェーディングを受けやすくなる。同時に、本発
明はこの領域で動作している移動ユニットが隣接セクタ
に合理的な信号を提供することができかつこれらの信号
が別個のRCUを介してダイバシティ結合できることを認
識する。したがって、例えば、図４のセクタ２がある移
動ユニットにサービスを行なっておりかつその移動ユニ
ットの前記RxlevまたはRxqualの指示があらかじめセッ
トされたしきい値より低下した場合、プロセッサ20はダ
イバシティをその呼に適用することを決定しかつセクタ
１を通って並列のチャネルをセットアップする。セクタ
１および２を通った信号は並列のRCU（「スペアの」RCU
が利用可能であるものと想定する）を介して処理されか
つ復調された信号を使用してダイバシティ決定が行なわ
れる。もしセクタ１を通る信号がこのようにして改善を
提供しないことがわかってくれば、コントローラ20は前
記「スペアの」RCUを問題のチャネルにおけるタイムス
ロットの次の発生の際にセクタ３にサービスを行なって
いるアンテナへと切り換えさせる。
ダイバシティ信号は一般にもしそれが主信号より20dB
以上低ければ改善を与えない。したがって、前記移動ユ
ニットが位置する、セクタ２に隣接するいずれかのセク
タがその移動ユニットから主信号の20dB以内の信号を提
供すれば、その主信号を改善するためにダイバシティを
使用することができる。付加的なアンテナまたはRCUが
提供される必要はない。これをSNRに関して述べれば、
あるセクタにおけるあるチャネルでの呼がしきい値より
低いSNRを有するものと判定された場合、かつ同じ呼が
第２のアンテナによって前記第１の値の20dB以内のSNR
で受信されている場合、ダイバシティを有益に適用でき
る。
５個のRCUのラックは一般に60度のセクタ化されたセ
ルの３つのセクタにサービスを行なうことが説明され
た。したがって５個のRCUのラックはセクタ1,2および３
にサービスし、セクタ６および４からダイバシティが提
供される。セクタ５は接続されずかつしたがって、マト
リクス42または43への対応する入力は単に終端される。
同様に、セクタ4,5および６にサービスしている５個のR
CUの他のラックはその入力がセクタ２からのアンテナに
対応して終端されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビショップ・ピーター ウィリアム デ ール イギリス国エスエヌ５ ６エービー、ス ウィンドン、ロッシュフォード・クロー ズ ５ (56)参考文献 特開 昭61−63120（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−230503（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−152332（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−108637（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04L 1/02 - 1/06 H04B 7/02 - 7/12

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】時分割多重アクセス通信システムにおける
    異なるタイムスロットによって分離された複数の呼を受
    信するための無縁通信装置であって、 複数の周波数に同調可能な複数の受信機であって、該複
    数の受信機の各々はダイバシティを用いることなく呼を
    受信するよう動作可能であるもの、 第１および第２のアンテナ、 前記複数の受信機を前記第１および第２のアンテナの内
    の選択されたものに切り換えるためのスイッチング手
    段、そして 前記複数の受信機に結合されて前記受信機を呼を受信す
    るために同調する制御手段であって、該制御手段は、 前記スイッチング手段を制御して第１の受信機をダイバ
    シティを用いることなく呼を受信するために前記第１の
    アンテナに切り換えるための手段、 前記第１のアンテナを介してかつ前記複数の受信機の内
    の前記第１の受信機を介してダイバシティを用いること
    なく受信した低品質の受信呼を識別するための手段、 呼の受信のために必要とされないスペアの受信機を識別
    するための手段、 前記スイッチング手段に前記スペアの受信機を前記第２
    のアンテナを介して低品質の前記受信呼を受信するよう
    切り換えさせるための手段、 前記スペアの受信機を前記低品質の受信呼の周波数に同
    調するための手段、および 前記第１の受信機および前記スペアの受信機を介しての
    前記受信呼をダイバシティ結合するための手段、 を具備する前記制御手段、 を具備し、スペアの受信機を使用することにより一部の
    低品質の呼に対しダイバシティ技術を動的かつ選択的に
    適用するよう動作可能であり、そして 前記制御手段は遠隔ユニットへのメッセージの送信を行
    なわせ、これらの遠隔ユニットを選択されたタイムスロ
    ットによって呼の設定を行なうために制御するよう構成
    され、かつ前記制御手段は異なるタイムスロットによっ
    て前記呼のセットアップを分配し、それによって、飽和
    状態より低い動作状態の間に、スペアの受信機が低品質
    の呼と同じタイムスロットで利用可能であることを特徴
    とする複数の呼を受信するための無線通信装置。
  2. 【請求項２】前記制御手段はあるタイムスロットにおけ
    る呼を終了させるための手段、対応する受信機がその結
    果としてスペアになることを識別するための手段、そし
    てそのスペア受信機を同じタイムスロットにおける低品
    質の他の呼と整合するための手段を具備する、請求の範
    囲第１項に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記整合するための手段は前記低品質の呼
    と同じタイムスロットにおける満足すべき品質の呼を識
    別するための手段、およびメッセージを対応する遠隔ユ
    ニットに送信してその呼を時間的に前記終了された呼が
    存在したタイムスロットに移動させるための手段を具備
    し、それによって前記低品質の呼のタイムスロットにお
    いてスペアの受信機を生成させる、請求の範囲第２項に
    記載の装置。
  4. 【請求項４】前記第１および第２のアンテナはセクタ化
    されたアンテナの同じセクタに伸びる方向性アンテナで
    ある、請求の範囲第１項に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記第１および第２のアンテナはセクタ化
    されたアンテナの隣接する方向性アンテナである、請求
    の範囲第１項に記載の装置。
  6. 【請求項６】前記低品質の呼を識別するための手段はそ
    の呼が所定のしきい値より低い信号対雑音比を有するこ
    とを判定するための手段を具備する、請求の範囲第１項
    に記載の装置。
  7. 【請求項７】前記低品質の呼を識別するための手段は前
    記呼が所定のしきい値より低いビットエラー率を有する
    ことを判定するための手段を具備する、請求の範囲第１
    項に記載の装置。
  8. 【請求項８】前記呼をダイバシティ結合するための手段
    は、前記呼が互いに所定の範囲内の信号対雑音比を有す
    るものと判定された場合にのみ前記呼を組合わせる、請
    求の範囲第１項に記載の装置。
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