JP3595740B2 - 無線通信システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体と無線通信を行うためのアレーアンテナを有する無線基地局と、無線基地局の制御を行う制御局との間で、光ファイバ等の有線通信媒体を介してデータ通信を行う無線通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
比較的カバーエリアの狭い複数の無線基地局と一つの集中制御局とを光ファイバで接続し、各基地局と制御局の間で無線信号を光信号に変換して伝送するＲＯＦ （Ｒａｄｉｏ Ｏｎ Ｆｉｂｅｒ） システムは、信頼性および広帯域性の面で優れ、また、緻密なサービスを行うことができるため、ＦＴＴＨ （Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ） や加入者系無線や、ＩＴＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ） 用のインフラとして有効である。
【０００３】
特に、ＲＯＦ システムを構築する場合に、制御局に変復調器や制御装置を設けて、各基地局を必要最小限の装置構成とすれば、基地局の簡素化、小型化および低コスト化が可能になる。このため、多数の基地局を道路沿い、地下街、トンネル等に配置することができ、効率的でかつ経済的なインフラ構築が可能となる。
【０００４】
一方、基地局のアンテナとして、所望の端末局に対して指向性を持たせたり、あるいは他局からの干渉を抑圧したりして、任意の形状のカバーエリアを形成するアダプティブアンテナ技術が注目されている。
【０００５】
アダプティブアンテナ技術は、複数のアンテナ素子から送受信される信号に位相および振幅に関する重み付けを行って放射パターンを制御するものである。放射パターンの制御方式として、主に、増幅器や移相器などのアナログ素子による重み付けを行う手法と、ディジタル信号に変換した後にディジタル信号処理により複素重み付けを行う手法がある。
【０００６】
このアダプティブアンテナを基地局に備え、ＲＯＦ 技術を用いて制御局と接続する無線通信システムがいくつか報告されている（例えば、特開平５−１０２８９４や特開平１０−１４５２８６）。アダプティブアンテナを有する無線通信システムでは、アンテナ素子ごとに異なる無線信号を、基地局と制御局間で相対位相差と相対強度差を維持したまま伝送する技術が必要となる。
【０００７】
このため、従来の報告では、ＲＯＦ の伝送形態として、無線信号に周波数変換以外の信号処理を施さない波長多重伝送、あるいは、各ブランチにそれぞれ光ファイバを割り当てる手法が取られている。以下では、一つのアンテナ素子から送受信される信号を処理する系のことをブランチと呼ぶことにする。
【０００８】
各ブランチごとに光ファイバを設ける手法では、基地局と制御局を接続する光ファイバの本数が大幅に増加するため、光ファイバの利用効率が低くなるとともに、複数の基地局と接続される制御局側の光伝送系の構成が複雑化し、規模も大きくなる。すなわち、アダプティブアンテナを有する無線通信システムに対するＲＯＦ 技術は、光伝送系部分の構成要素が複雑かつ大規模になるという問題があり、基地局及び制御局の構成を簡易・小型化するのが難しい。
【０００９】
これに対して、光ファイバによる伝送系において、一つの光源によって複数の無線信号を周波数軸で多重化する方式として、サブキャリア多重伝送（ＳＣＭ） が知られている。ＲＯＦ の実現方法として、ＳＣＭを用いると、必要な光ファイバが送受信あわせて一本ですむため、システム構築が低コスト化でき、また、光合波器・光分波器が不要でかつ光源が一つですむ等のメリットがある。それゆえ、各ブランチの送受信信号を一旦周波数変換し、それぞれにサブキャリアを割り当てて光ファイバ内を伝送する方式が有効である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の二つの手法では、各アンテナ素子にＥ／Ｏ 変換器（電気／光変換器） とＯ／Ｅ 変換器（光／電気変換器） の対を割り当てるため、基地局及び制御局には、ブランチ数分の対が必要となる。つまり、基地局及び制御局の光伝送部の構成要素が大幅に増加し、構成が複雑化して大きくなるという問題がある。
【００１１】
また、基地局と制御局間で波長多重伝送を行う場合には、光合波器、光分波器、および光源の波長制御器等の構成を追加する必要があり、非常に高価なシステムになってしまう。
【００１２】
また、ＳＣＭを用いる方式では、基地局−制御局間でキャリア同期とタイミング同期をとらなければ、多重化された各ブランチの信号を正しく取り出すことができないという問題がある。
【００１３】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、構成を複雑にすることなく、制御局から基地局に送信される送信信号の位相および振幅調整を簡易かつ精度よく行うことができる無線通信システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、無線通信端末と、この無線通信端末と無線通信を行う基地局と、この基地局と有線伝送路を介して接続された制御局とからなる無線通信システムにおいて、前記基地局は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、前記有線伝送路を介して前記制御局から伝送されてきた前記各アンテナ素子に対応した各々の送信信号を、前記有線伝送路を介して前記制御局にフィードバックするフィードバック手段を有し、前記制御局は、前記フィードバック手段からフィードバックされた前記各送信信号の中から、少なくとも二つの信号を比較し、位相差及び又は振幅変動量を検出する比較検出手段と、前記比較検出手段で検出した位相差及び又は振幅変動量に基づいて、前記複数のアンテナ素子に対応した各々の送信信号を補償する補償手段とを有する。
請求項１の発明では、制御局が基地局に伝送した送信信号と、そのフィードバック信号とを比較して、位相差および振幅変動量を検出するため、簡易な構成で精度よく位相および振幅調整を行うことができる。
【００１５】
請求項２および３の発明では、送信信号を制御局にフィードバックする際、フィードバック信号にパイロット信号を挿入するため、このフィードバック信号により、受信系での相対位相差と相対振幅変動量を検出することができ、その検出結果により、送信系の相対位相差と相対振幅変動量を検出することもできる。
【００１６】
請求項４の発明では、各送信信号の絶対位相差と絶対振幅変動量を検出することができる。
【００１７】
請求項５の発明では、各アンテナ素子に対応する送信信号のいずれかを任意に選択できるため、各送信信号の絶対位相差と絶対振幅変動量を検出することができる。
【００１８】
請求項５〜７の発明では、送信信号を制御局にフィードバックするための専用伝送媒体を設けるため、パイロット信号なしに、相対位相差と相対振幅変動量を検出することができる。
【００１９】
請求項８の発明では、位相差と振幅変動量を補償するための校正係数を加味した重み係数を演算するため、送信信号の重み付けと校正をまとめて行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した無線通信システムについて、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は本発明に係る無線通信システムの第１の実施形態のブロック図である。図１のシステムは、アダプティブアンテナ１を有する基地局２と制御局３とを光ファイバ４で接続し、サブキャリア多重伝送を行う例を示している。図１のアダプティブアンテナ１は、３つのアンテナ素子１ａ〜１ｃを有するが、アンテナ素子１ａ〜１ｃの数には特に制限はない。
【００２２】
図１の基地局２は、受信系の構成として、送受信の切り替えを行うサーキュレータ５ａ〜５ｃと、送受信信号の合成を行う合成器（合成手段）６ａ〜６ｃと、制御局３にフィードバックする送信信号にパイロット信号を挿入するパイロット信号挿入器（パイロット信号挿入手段）７と、パイロット信号挿入器７の出力信号を増幅するローノイズアンプ８ａ〜８ｃと、ローノイズアンプ８ａ〜８ｃの各出力信号をそれぞれ異なる周波数信号にダウンコンバートする周波数変換器（第１の周波数変換手段）９ａ〜９ｃと、周波数変換器９ａ〜９ｃから出力された各周波数信号を多重化する合成器（周波数多重化手段）１０ａ〜１０ｃと、合成器１０ａ〜１０ｃで合成された信号を光信号に変換して光ファイバ４を介して制御局３に伝送する電気／光変換器（第１の電気／光変換手段）１１とを有する。
【００２３】
また、図１の基地局２は、送信系の構成として、制御局３から伝送されてきた光信号を電気信号に変換する光／電気変換器１２と、光／電気変換器１２の出力信号を複数の周波数信号に分配する分配器１３と、分配器１３で分配された各周波数信号を無線周波数の信号に変換する周波数変換器１４ａ〜１４ｃと、周波数変換器１４ａ〜１４ｃの出力信号を増幅する増幅器１５ａ〜１５ｃと、増幅器１５ａ〜１５ｃの出力信号をサーキュレータ５ａ〜５ｃと合成器６ａ〜６ｃに分岐させるカップラ１６ａ〜１６ｃとを有する。
【００２４】
この他、図１の基地局２は、周波数変換器９ａ〜９ｃ，１４ａ〜１４ｃにそれぞれ局部発振信号を供給する周波数シンセサイザ１７を有する。周波数シンセサイザ１７は、それぞれ周波数の異なる信号を出力する複数の局部発振器を有するか、あるいは、一つの局部発振器と、この局部発振器から出力された局部発振信号を逓倍または分周して複数の周波数信号を出力する分周器とを有する。
【００２５】
一方、図１の制御局３は、受信系の構成として、基地局２から伝送されてきた光信号を電気信号に変換する光／電気変換器（光／電気変換手段）２１と、光／電気変換器２１の出力信号を複数の信号に分配する分配器（分配手段）２２と、分配器２２から出力された各信号をそれぞれ異なる周波数の信号に変換する周波数変換器（第３の周波数変換手段）２３ａ〜２３ｃと、周波数変換器２３ａ〜２３ｃの出力信号に基づいて送信信号のフィードバック信号を検出するフィードバック信号検出器（フィードバック手段）２４と、フィードバック信号に基づいて校正係数を演算する校正係数演算回路（比較手段）２５と、校正係数に基づいて送受信用の重み係数を演算するアダプティブアンテナ重み係数演算回路（重み係数演算手段）２６と、演算された重み係数に基づいて受信信号の重み付けを行う乗算器（第１の重み付け手段）２７ａ〜２７ｃと、乗算器２７ａ〜２７ｃの各出力信号を合成する合成器２８と、合成器２８で合成された信号を復調する復調器２９とを有する。
【００２６】
また、図１の制御局３は、送信系の構成として、送信用の変調信号を生成する変調器３１と、変調信号を複数に分配する分配器３２ａ〜３２ｃと、分配された変調信号を重み係数に基づいて重み付けする乗算器（第２の重み付け手段）３３ａ〜３３ｃと、乗算器３３ａ〜３３ｃの出力信号をそれぞれ異なる周波数の信号に変換する周波数変換器３４ａ〜３４ｃと、周波数変換器３４ａ〜３４ｃの出力信号を多重化する合成器３５と、合成器３５で多重化された信号を光信号に変換して光ファイバ４を介して基地局２に伝送する電気／光変換器３６とを有する。
【００２７】
この他、図１の制御局３は、周波数変換器２３ａ〜２３ｃ，３４ａ〜３４ｃにそれぞれ局部発振信号を供給する周波数シンセサイザ３７を有する。周波数シンセサイザ３７は、それぞれ周波数の異なる信号を出力する複数の局部発振器を有するか、あるいは、一つの局部発振器と、この局部発振器から出力された局部発振信号を逓倍または分周して複数の周波数信号を出力する分周器とを有する。本実施形態では、基地局２内の周波数シンセサイザ１７と制御局３内の周波数シンセサイザ３７は、周波数とタイミングの同期が取れていると仮定する。
【００２８】
図１の基地局２において、合成器６ａ〜６ｃ、パイロット信号挿入器７、ローノイズアンプ８ａ〜８ｃ、周波数変換器９ａ〜９ｃ、合成器９および電気／光変換器１１がフィードバック手段に対応し、周波数変換器８ａ〜８ｃ，９ａ〜９ｃ、合成器１０、および電気／光変換器１１が伝送手段に対応する。また、図１の制御局２において、重み係数演算回路２６と乗算器２７ａ〜２７ｃ，３３ａ〜３３ｃとが補償手段に対応し、フィードバック信号検出器２４が第１および第２の検出手段に対応する。
【００２９】
図１の基地局２は、制御局３から基地局２に伝送された送信信号を、アレーアンテナ１から放射する前に、基地局２内の受信系を介して制御局３にフィードバックする。また、制御局３は、フィードバック信号のうち２つの信号を比較し、送信信号の相対位相差と相対振幅変動量を補償するための校正係数を生成する。
【００３０】
以下、図１の無線通信システムの動作を説明する。アンテナ素子１ａ〜１ｃで受信された信号と制御局３から基地局２に伝送されてきた送信信号とは、合成器６ａ〜６ｃで合成された後、パイロット信号挿入器７によりパイロット信号が挿入される。その後、ローノイズアンプ８ａ〜８ｃを介して周波数変換器９ａ〜９ｃに入力され、各アンテナ素子１ａ〜１ｃに対応する各ブランチごとにそれぞれ異なる周波数に変換される。このとき、光ファイバ４や光源の周波数特性等に応じた中間周波数に変換するのが望ましい。中間周波数に変換することにより、光伝送系の構成を簡略化することができる。周波数変換器９ａ〜９ｃの出力信号は、合成器１０にて周波数が多重化された後、電気／光変換器１１にて光信号に変換されて基地局２に伝送される。
【００３１】
図２は合成器１０で周波数多重化された信号の周波数スペクトル図である。図２に示すように、アレーアンテナ１での受信信号と、パイロット信号と、制御局３からの送信信号とが、それぞれ異なる周波数間隔で配置され、これらを一群としてサブキャリアｆ１〜ｆ３が割り当てられる。なお、周波数変換器９ａ〜９ｃの内部に設けられる不図示の帯域フィルタは、各サブキャリアの信号群を通過可能な帯域を持っている必要がある。
【００３２】
制御局３に伝送されてきた光信号は、制御局３内の電気／光変換器２１にて再び電気信号に変換された後、分配器２２にて複数のブランチ信号に分配される。これらブランチ信号は、周波数変換器２３ａ〜２３ｃにて同一の周波数信号に変換された後、フィードバック信号検出器２４と乗算器２７ａ〜２７ｃに入力される。
【００３３】
フィードバック信号検出器２４は、周波数変換器２３ａ〜２３ｃの各出力信号の中から、制御局３が送信した送信信号と、パイロット信号と、アダプティブアンテナ１で受信された受信信号とを抽出する。
【００３４】
校正係数演算回路２５は、フィードバック信号検出器２４で抽出された各ブランチの送信信号のうち、いずれか一つのブランチの送信信号を基準として、残りのブランチの送信信号との相対位相差と相対振幅偏差を検出し、検出結果に応じた校正係数を演算する。
【００３５】
重み係数演算回路２６は、周波数変換器２３ａ〜２３ｃの出力信号と、校正係数演算回路２５で演算された校正係数と、ビーム制御のために計算された送信／受信ウェイトとに基づいて、送信信号に対する重み係数と受信信号に対する重み係数を演算する。
【００３６】
乗算器２７ａ〜２７ｃは、周波数変換器２３ａ〜２３ｃの出力信号と重み係数演算回路２６で演算された重み係数とを乗算して受信信号の重み付けを行う。重み付けされた受信信号は、復調器２９に入力されて復調される。
【００３７】
一方、制御局３内の変調器３１で変調された送信信号は、乗算器３３ａ〜３３ｃにて、重み係数演算回路２６で演算された重み係数と乗算されて、重み付けされる。重み付けされた送信信号は、周波数変換器３４ａ〜３４ｃにてそれぞれ異なる周波数の信号に変換された後、合成器３５にて周波数多重化される。
【００３８】
周波数多重化された送信信号は、電気／光変換器３６にて光信号に変換された後、光ファイバ４を介して基地局２に伝送される。
【００３９】
基地局２に伝送されてきた光信号は、分配器１３にて複数のブランチ信号に分配され、各ブランチ信号は周波数変換器１４ａ〜１４ｃに入力されて無線周波数の信号にアップコンバートされる。
【００４０】
周波数変換器１４ａ〜１４ｃの各出力信号は、増幅器１５ａ〜１５ｃに入力されて増幅された後、カップラ１６ａ〜１６ｃとサーキュレータ５ａ〜５ｃを介してアンテナ素子１ａ〜１ｃに入力される。
【００４１】
次に、図１のフィードバック信号検出器２４、校正係数演算回路２５、および重み係数演算回路２６の詳細構成および動作について説明する。
【００４２】
校正係数演算回路２５は、図３に詳細構成を示すように、位相差検出器５１と、振幅比検出器５２と、演算器５３とを有する。位相差検出器５１と振幅比検出器５２の双方には、周波数変換器２３ａ〜２３ｃの各出力信号がそれぞれ入力される。位相差検出器５１は各出力信号間の位相差を検出し、振幅比検出器５２は各出力信号間の振幅偏差を検出する。
【００４３】
演算器５３は、１番目のブランチを基準としたときのｊ番目のブランチの相対位相差をθ１ｊ、相対振幅比をＡ１ｊとした場合、以下の（１）〜（３）式に基づいて、校正係数Ｃ１〜Ｃ３を演算する。
【００４４】
【数１】
図３の位相差検出器５１は、図４に詳細構成を示すように、乗算器６１と、低域フィルタ６２と、位相識別器６３とを有する。送信信号とフィードバック信号を乗算器６１で乗算した後、低域フィルタ６２で高周波成分を除去することにより、ｃｏｓθｉｊに比例した偏差成分を得ることができる。
【００４５】
図３の振幅比検出器５２は、図５に詳細構成を示すように、位相補正器６５と、ダイオード６６ａ，６６ｂと、サンプリング器６７ａ，６７ｂと、割り算器６８とを有する。位相補正器６５は、２種類の送信信号のうち一方の送信信号の位相差補正を行って同相入力とする。位相補正器６５の出力と他方の送信信号は、それぞれダイオード６６ａ，６６ｂに入力されて包絡線成分が取り出される。これら包絡線成分はサンプリング器６７ａ，６７ｂでサンプリングされ、サンプリング出力の比が割り算器６８で得られる。
【００４６】
図１の重み係数演算回路２６は、校正係数と周波数変換器２３ａ〜２３ｃの各出力信号に基づいて、所望のアンテナパターンを形成するための送信ウェイトｗ’Ｔ１〜ｗ’Ｔ３を演算する。送信ウェイトｗ’Ｔ１〜ｗ’Ｔ３は、以下の（４）式で示すように、位相成分ｅｊ φ ｉと振幅成分Ｍとに分離することができる。
【００４７】
ｗ’Ｔｊ＝Ｍｅｊ φ ｉ （ｊ＝１，２，３） …（４）
結局、送信系のみの位相変動θ’ｉｊは、θ’ｉｊ＝θｉｊ−φｉ−φｉｊ、振幅変動Ａ’ｉｊは、Ａ’ｉｊ＝Ａｉｊ／（Ｍ・Ｂｉｊ） で求められるので、補償すべき送信系の校正係数ＣＴは、（５）〜（７）式のようになる。
【数２】
（５）〜（７）式により、乗算器３３ａ〜３３ｃで重み付けされる校正値を含んだ送信信号に対する重み係数は、（８）式のようになる。
【００４８】
ｗＴｉ＝ ｗ’Ｔｉ・ＣＴｉ （ｉ＝１，２，３） …（８）
上述した（５）〜（８）式で示すような重み付けを行うことにより、アンテナ端から送信される地点で、所望のビームパターンを形成する信号が得られる。
【００４９】
同様に、受信系の校正係数ＣＲｉは、以下の（９）〜（１１）式で表される。
【００５０】
【数３】
図１の校正係数演算回路２５は、上述した（５）〜（７）式に基づいて送信系の校正係数を演算するとともに、上述した（９）〜（１１）式に基づいて受信系の校正係数を演算する。また、重み係数演算回路２６は、上述した（８）式に基づいて送信信号に対する重み係数を演算し、同様にして受信信号に対する重み係数も演算する。
【００５１】
次に、パイロット信号挿入器７で挿入されるパイロット信号について説明する。パイロット信号は、例えば、ＰＮ系列（擬似ランダム雑音系列）等で構成され、その信号列は制御局３−基地局２間で既知とする。また、パイロット信号は、フィードバックされる送信信号に時分割で挿入したり、周波数分割で挿入することが可能であるが、いずれの場合も、等振幅の信号を各ブランチごとに同時に挿入する必要がある。
【００５２】
このように、パイロット信号としてＰＮ系列を同時に挿入した場合、フィードバック信号検出器２４で取り込まれた各ブランチのパイロット信号は、相関処理を行うことにより、図６に示すように、その到達タイミングと相関強度を表すインパルス性の強い相関出力になる。この相関出力により、受信系における各ブランチ間の到達遅延時間差ｔ１， ｔ２を観測でき，変動位相差φｉｊを求めることができる。また，ピーク値を比較することにより，受信系の各ブランチ間の相対振幅比Ｂｉｊを検出することができる。
【００５３】
上述した実施形態では，ＰＮ 系列のパイロット信号を用いたが，正弦波の搬送波だけをパイロット信号としてフィードバックしてもよい。この場合、制御局３のフィードバック信号検出器２４は，前述の位相差検出器の構成と同様に、乗積器と低域フィルタにより、相対位相差φｉと相対強度比Ｂｉを推定することができる。
【００５４】
このように、第１の実施形態では、基地局２から制御局３に対して、送信信号のフィードバック信号と、アレーアンテナ１での受信信号と、パイロット信号とを多重化して伝送するため、パイロット信号に基づいて、制御局３内で送信信号の相対位相差と相対振幅変動量を検出することができる。また、パイロット信号を用いることにより、周波数シンセサイザ１７，３７から出力される各局部発振信号の同期確立や、基地局２と制御局３との間で伝送される各ブランチ信号の同期確立が可能になる。
【００５５】
また、第１の実施形態では、図４や図５に示すような簡易な構成の位相差検出器５１や振幅比検出器５２を用いて相対位相差と相対振幅変動量を検出できるため、システムの構成を簡略化でき、コストもそれほどかからない。また、アダプティブアンテナにおける送信ビーム制御を精度よく行えるため、高利得かつ狭ビームにより端末局を追尾することができ、一つの基地局２当たりのカバーエリアを拡大でき、ハンドオフ先基地局２の回線混雑による呼損率を低く抑えることもできる。
【００５６】
さらに、メインビームに比べて角度的にセンシティブなヌルの制御を精度よく行えるため、隣接基地局２や他の基地局２と通信中の端末局への干渉を抑えることができ、通信品質を改善できるとともに、システム全体としてのユーザ収容能力の向上が図れる。
【００５７】
なお、上述した実施形態では、図２に示すように、送信信号とパイロット信号を周波数多重する方式について説明したが、送信信号とパイロット信号を時分割多重して制御局３にフィードバックする方式を採用してもよい。
【００５８】
この方式を採用すれば、周波数変換器の通過帯域幅を狭くすることができ、また、各コンポーネントのわずかな周波数特性の影響による推定誤差の発生を防止できる。
【００５９】
また、光ファイバ中では、多重されている受信信号、送信信号およびパイロット信号を受信後に分離することは容易なため、通信中でも校正を行うことができ、校正のために通信が遮断されるような不具合が起きなくなる。
【００６０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、送信信号の絶対位相を検出するものである。
【００６１】
図７は本発明に係る無線通信システムの第２の実施形態のブロック図である。図７では、図１と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００６２】
図７の基地局２は、図１の基地局２と同様に構成されている。図７の制御局３は、図１の構成に加えて、重み付けされた送信信号のいずれか一つを選択する切替器（制御局内切替手段）７１を有する。図７の校正係数演算回路２５は、切替器７１で選択された送信信号と、フィードバック信号検出器２４の出力とに基づいて、送信信号の絶対位相と振幅変動の絶対値を検出する。
【００６３】
図７の校正係数演算回路２５の出力ＣＴは（１２）式のようになる。
【００６４】
【数４】
ここで、θｉはｉ番目のブランチの絶対位相、Ａｉはｉ番目のブランチの絶対振幅変動量、φｉはパイロット信号を基準として求められたｉ番目の受信ブランチの絶対位相、Ｂｉはパイロット信号を基準として求められたｉ番目の受信ブランチの絶対振幅変動量である。
【００６５】
（１２）式に示すように、θｉとφｉとの差分を演算することにより、送信信号の絶対位相と絶対振幅変動量を演算することができる。
【００６６】
図７の重み係数演算回路２６は、以下の（１３）式に基づいて送信信号の重み係数ｗＴｉを演算する。
【００６７】
ｗＴｉ＝ｗ’Ｔｉ・ＣＴｉ （ｉ＝１，２，３） …（１３）
アダプティブアンテナを有する無線通信システムでは、送信信号の相対位相と相対振幅変動量がわかれば、正しい送信信号を形成できるが、それ以外の目的で各送信ブランチの絶対位相と絶対振幅変動値を知る必要がある場合に、上述した第２の実施形態は有効である。
【００６８】
また、第２の実施形態は、送信信号がフィードバック伝送経路を介して戻ってくるまでの遅延時間、すなわち位相回転が信号の１シンボル長に比べて十分短い場合に有効である。
【００６９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、パイロット信号なしで絶対位相差と絶対振幅変動量を検出するものである。
【００７０】
図８は本発明に係る無線通信システムの第３の実施形態のブロック図である。図８では、図７と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００７１】
図８の無線通信システムは、パイロット信号を伝送しない代わりに、制御局３から基地局２に伝送された送信信号を制御局３にフィードバックする校正用の伝送経路を有することを特徴とする。
【００７２】
図８の基地局２は、制御局３からの送信信号のいずれか一つを選択する切替器（基地局内切替手段）７２と、切替器７２で選択された信号を増幅する増幅器７３と、増幅器７３で増幅された信号の周波数を変換する周波数変換器（第２の周波数変換手段）７４と、周波数変換器７４の出力信号を光信号に変換する光／電気変換器（第２の電気／光変換手段）７５とを有する。
【００７３】
また、図８の制御局３は、基地局２から伝送されてきた送信信号のフィードバック信号を電気信号に変換する光／電気変換器（第２の光／電気変換手段）７６を有する。光／電気変換器７６の出力信号は、フィードバック信号検出器２４に入力される。
【００７４】
図８の無線通信システムでは、基地局２内の切替器７２と制御局３内の切替器７１を順次切り替えて、送信ブランチを一つずつ校正する。ただし、現在校正しているアンテナ素子に対応するブランチを、制御局３と基地局２はともに把握しているものとする。
【００７５】
また、図８の無線通信システムでは、各送信ブランチの位相差と振幅変動量は互いに異なっているが、専用のフィードバック伝送経路の位相差と振幅変動量は常に共通であるため、校正係数演算回路２５で求められた各ブランチの校正係数は、ブランチ間で相対的な値として求められる。図８に示すようなアダプティブアンテナを有するシステムでは、相対位相と相対振幅が一定であればアンテナパターンは一意に定まるため、絶対的な位相や振幅変動量がわからなくても、校正を正しく行うことができる。
【００７６】
また、図８の無線通信システムにおける受信系の校正は、第１の実施形態と同様に、送信系の校正が確立した後、基地局２において送信信号を受信系を介して制御局３にフィードバックし、制御局３で送信信号に対する重み係数で重み付けした送信信号と比較することにより、受信系の校正係数を求めることができる。
【００７７】
このように、第３の実施形態では、パイロット信号を用いることなく相対位相差と相対振幅変動量を検出できるため、基地局２内でパイロット信号を挿入して多重化する処理が不要となり、また、制御局３内でパイロット信号を分離抽出する処理も不要となる。したがって、システムの構成を簡略化することができる。
【００７８】
（第４の実施形態）
上述した第１〜第３の実施形態では、重み係数演算回路２６にて、校正係数を加味した送信信号に対する重み係数を生成して送信信号の重み付けを行う例を説明したが、送信ウェイトによる送信信号の重み付けとは別個に、校正係数による送信信号の重み付けを行ってもよい。
【００７９】
図９は本発明に係る無線通信システムの第４の実施形態のブロック図である。図９では図７と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００８０】
図９の基地局２は、図７と同様に構成されている。また、図９の制御局３内の校正係数演算回路２５は、図７と同様の処理を行うが、その処理結果は、重み係数演算回路２６ではなく、送信系に新たに設けられた乗算器（第３の重み付け手段）７７ａ〜７７ｃに供給される。
【００８１】
また、重み係数演算回路２６は、校正係数演算回路２５で演算された校正係数を考慮に入れずに、送信ウェイトと受信ウェイトを演算する。乗算器３３ａ〜３３ｃは、送信ウェイトに基づいて送信信号の重み付けを行う。また、新たに追加された乗算器７７ａ〜７７ｃは、重み付けされた送信信号に対して、校正係数に基づいてさらに重み付けを行う。
【００８２】
なお、上述した図８の無線通信システムについても、図９と同様に、送信ウェイトによる重み付けと校正係数による重み付けとを別々に行ってもよい。
【００８３】
図１０は図８を変形した無線通信システムのブロック図である。図１０の基地局２は、図８と同様に構成されている。また、図１０の制御局３内の重み係数演算回路２６は、校正係数演算回路２５で演算された校正係数を考慮に入れずに、送信ウェイトと受信ウェイトを演算する。乗算器３３ａ〜３３ｃは、送信ウェイトに基づいて送信信号の重み付けを行う。また、新たに追加された乗算器７７ａ〜７７ｃは、重み付けされた送信信号に対して、校正係数に基づいてさらに重み付けを行う。
【００８４】
このように、第４の実施形態では、送信ウェイトによる重み付けと、校正係数による重み付けとを別々に行うため、どちらか一方のみを行うようにすることも可能になる。
【００８５】
（その他の実施形態）
上述した各実施形態では、ＲＯＦ内の伝送方式として副搬送波多重（ＳＣＭ）方式を用いる例を説明したが、ＳＣＭ以外の伝送方式、例えば、波長多重伝送方式、複数の光ファイバをそれぞれ別々のブランチに割り当てる方式、時分割多重伝送方式、符号分割多重方式による方法等でも同様のシステムを構築できる。
【００８６】
また、上述した各実施形態において、送信用の光ファイバケーブルと受信用の光ファイバケーブルとを別個に設けてもよいが、送受信信号は時分割複信または周波数分割複信されるので、１本の光ファイバで送受信を行ってもよい。
【００８７】
さらに、上述した実施形態では、基地局２と制御局３を接続する有線通信媒体として光ファイバを用いる例を説明したが、同軸ケーブルやイーサネットケーブル等を用いたシステムでも、同様の校正処理を行うことができ、同様の効果が得られる。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、制御局から基地局に伝送された送信信号を制御局にフィードバックさせ、送信信号とフィードバックされた信号との比較結果、またはフィードバックされた信号のいずれか２つの信号の比較結果に基づいて、送信信号の位相および振幅調整を行うため、制御局および基地局内を送信信号が伝搬する間に生じた位相差や振幅変動量を簡易かつ精度よく校正することができる。
【００８９】
また、本発明によれば、通信中においても校正処理を行えるため、校正のために通信が遮断されるおそれもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る無線通信システムの第１の実施形態のブロック図。
【図２】合成器で周波数多重化された信号の周波数スペクトル図。
【図３】校正係数演算回路の詳細構成を示すブロック図。
【図４】位相差検出器の詳細構成を示すブロック図。
【図５】振幅比検出器の詳細構成を示すブロック図。
【図６】パイロット信号の到達タイミングと相関強度を示す図。
【図７】本発明に係る無線通信システムの第２の実施形態のブロック図。
【図８】本発明に係る無線通信システムの第３の実施形態のブロック図。
【図９】本発明に係る無線通信システムの第４の実施形態のブロック図。
【図１０】第４の実施形態の変形例を示すブロック図。
【符号の説明】
１ アレーアンテナ
１ａ〜１ｃ アンテナ素子
２ 基地局
３ 制御局
４ 光ファイバ
５ａ〜５ｃ サーキュレータ
６ａ〜６ｃ，１０ａ〜１０ｃ，２８，３５ 合成器
７ パイロット信号挿入器
８ａ〜８ｃ ローノイズアンプ
９ａ〜９ｃ，１４ａ〜１４ｃ，２３ａ〜２３ｃ，３４ａ〜３４ｃ 周波数変換器
１１，３６ａ〜３６ｃ 電気／光変換器
１２，２１ 光／電気変換器
１３，２２，３２ａ〜３２ｃ 分配器
１５ 増幅器
１６ａ〜１６ｃ カップラ
１７ 周波数シンセサイザ
２４ フィードバック信号検出器
２５ 校正係数演算回路
２６ 重み係数演算回路
２７ａ〜２７ｃ，３３ａ〜３３ｃ 乗算器
２９ 復調器
３１ 変調器
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体と無線通信を行うためのアレーアンテナを有する無線基地局と、無線基地局の制御を行う制御局との間で、光ファイバ等の有線通信媒体を介してデータ通信を行う無線通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
比較的カバーエリアの狭い複数の無線基地局と一つの集中制御局とを光ファイバで接続し、各基地局と制御局の間で無線信号を光信号に変換して伝送するＲＯＦ （Ｒａｄｉｏ Ｏｎ Ｆｉｂｅｒ） システムは、信頼性および広帯域性の面で優れ、また、緻密なサービスを行うことができるため、ＦＴＴＨ （Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ） や加入者系無線や、ＩＴＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ） 用のインフラとして有効である。
【０００３】
特に、ＲＯＦ システムを構築する場合に、制御局に変復調器や制御装置を設けて、各基地局を必要最小限の装置構成とすれば、基地局の簡素化、小型化および低コスト化が可能になる。このため、多数の基地局を道路沿い、地下街、トンネル等に配置することができ、効率的でかつ経済的なインフラ構築が可能となる。
【０００４】
一方、基地局のアンテナとして、所望の端末局に対して指向性を持たせたり、あるいは他局からの干渉を抑圧したりして、任意の形状のカバーエリアを形成するアダプティブアンテナ技術が注目されている。
【０００５】
アダプティブアンテナ技術は、複数のアンテナ素子から送受信される信号に位相および振幅に関する重み付けを行って放射パターンを制御するものである。放射パターンの制御方式として、主に、増幅器や移相器などのアナログ素子による重み付けを行う手法と、ディジタル信号に変換した後にディジタル信号処理により複素重み付けを行う手法がある。
【０００６】
このアダプティブアンテナを基地局に備え、ＲＯＦ 技術を用いて制御局と接続する無線通信システムがいくつか報告されている（例えば、特開平５−１０２８９４や特開平１０−１４５２８６）。アダプティブアンテナを有する無線通信システムでは、アンテナ素子ごとに異なる無線信号を、基地局と制御局間で相対位相差と相対強度差を維持したまま伝送する技術が必要となる。
【０００７】
このため、従来の報告では、ＲＯＦ の伝送形態として、無線信号に周波数変換以外の信号処理を施さない波長多重伝送、あるいは、各ブランチにそれぞれ光ファイバを割り当てる手法が取られている。以下では、一つのアンテナ素子から送受信される信号を処理する系のことをブランチと呼ぶことにする。
【０００８】
各ブランチごとに光ファイバを設ける手法では、基地局と制御局を接続する光ファイバの本数が大幅に増加するため、光ファイバの利用効率が低くなるとともに、複数の基地局と接続される制御局側の光伝送系の構成が複雑化し、規模も大きくなる。すなわち、アダプティブアンテナを有する無線通信システムに対するＲＯＦ 技術は、光伝送系部分の構成要素が複雑かつ大規模になるという問題があり、基地局及び制御局の構成を簡易・小型化するのが難しい。
【０００９】
これに対して、光ファイバによる伝送系において、一つの光源によって複数の無線信号を周波数軸で多重化する方式として、サブキャリア多重伝送（ＳＣＭ） が知られている。ＲＯＦ の実現方法として、ＳＣＭを用いると、必要な光ファイバが送受信あわせて一本ですむため、システム構築が低コスト化でき、また、光合波器・光分波器が不要でかつ光源が一つですむ等のメリットがある。それゆえ、各ブランチの送受信信号を一旦周波数変換し、それぞれにサブキャリアを割り当てて光ファイバ内を伝送する方式が有効である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の二つの手法では、各アンテナ素子にＥ／Ｏ 変換器（電気／光変換器） とＯ／Ｅ 変換器（光／電気変換器） の対を割り当てるため、基地局及び制御局には、ブランチ数分の対が必要となる。つまり、基地局及び制御局の光伝送部の構成要素が大幅に増加し、構成が複雑化して大きくなるという問題がある。
【００１１】
また、基地局と制御局間で波長多重伝送を行う場合には、光合波器、光分波器、および光源の波長制御器等の構成を追加する必要があり、非常に高価なシステムになってしまう。
【００１２】
また、ＳＣＭを用いる方式では、基地局−制御局間でキャリア同期とタイミング同期をとらなければ、多重化された各ブランチの信号を正しく取り出すことができないという問題がある。
【００１３】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、構成を複雑にすることなく、制御局から基地局に送信される送信信号の位相および振幅調整を簡易かつ精度よく行うことができる無線通信システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、無線通信端末と、この無線通信端末と無線通信を行う基地局と、この基地局と有線伝送路を介して接続された制御局とからなる無線通信システムにおいて、前記基地局は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、前記有線伝送路を介して前記制御局から伝送されてきた前記各アンテナ素子に対応した各々の送信信号を、前記有線伝送路を介して前記制御局にフィードバックするフィードバック手段を有し、前記制御局は、前記フィードバック手段からフィードバックされた前記各送信信号の中から、少なくとも二つの信号を比較し、位相差及び又は振幅変動量を検出する比較検出手段と、前記比較検出手段で検出した位相差及び又は振幅変動量に基づいて、前記複数のアンテナ素子に対応した各々の送信信号を補償する補償手段とを有する。
請求項１の発明では、制御局が基地局に伝送した送信信号と、そのフィードバック信号とを比較して、位相差および振幅変動量を検出するため、簡易な構成で精度よく位相および振幅調整を行うことができる。
【００１５】
請求項２および３の発明では、送信信号を制御局にフィードバックする際、フィードバック信号にパイロット信号を挿入するため、このフィードバック信号により、受信系での相対位相差と相対振幅変動量を検出することができ、その検出結果により、送信系の相対位相差と相対振幅変動量を検出することもできる。
【００１６】
請求項４の発明では、各送信信号の絶対位相差と絶対振幅変動量を検出することができる。
【００１７】
請求項５の発明では、各アンテナ素子に対応する送信信号のいずれかを任意に選択できるため、各送信信号の絶対位相差と絶対振幅変動量を検出することができる。
【００１８】
請求項５〜７の発明では、送信信号を制御局にフィードバックするための専用伝送媒体を設けるため、パイロット信号なしに、相対位相差と相対振幅変動量を検出することができる。
【００１９】
請求項８の発明では、位相差と振幅変動量を補償するための校正係数を加味した重み係数を演算するため、送信信号の重み付けと校正をまとめて行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した無線通信システムについて、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は本発明に係る無線通信システムの第１の実施形態のブロック図である。図１のシステムは、アダプティブアンテナ１を有する基地局２と制御局３とを光ファイバ４で接続し、サブキャリア多重伝送を行う例を示している。図１のアダプティブアンテナ１は、３つのアンテナ素子１ａ〜１ｃを有するが、アンテナ素子１ａ〜１ｃの数には特に制限はない。
【００２２】
図１の基地局２は、受信系の構成として、送受信の切り替えを行うサーキュレータ５ａ〜５ｃと、送受信信号の合成を行う合成器（合成手段）６ａ〜６ｃと、制御局３にフィードバックする送信信号にパイロット信号を挿入するパイロット信号挿入器（パイロット信号挿入手段）７と、パイロット信号挿入器７の出力信号を増幅するローノイズアンプ８ａ〜８ｃと、ローノイズアンプ８ａ〜８ｃの各出力信号をそれぞれ異なる周波数信号にダウンコンバートする周波数変換器（第１の周波数変換手段）９ａ〜９ｃと、周波数変換器９ａ〜９ｃから出力された各周波数信号を多重化する合成器（周波数多重化手段）１０ａ〜１０ｃと、合成器１０ａ〜１０ｃで合成された信号を光信号に変換して光ファイバ４を介して制御局３に伝送する電気／光変換器（第１の電気／光変換手段）１１とを有する。
【００２３】
また、図１の基地局２は、送信系の構成として、制御局３から伝送されてきた光信号を電気信号に変換する光／電気変換器１２と、光／電気変換器１２の出力信号を複数の周波数信号に分配する分配器１３と、分配器１３で分配された各周波数信号を無線周波数の信号に変換する周波数変換器１４ａ〜１４ｃと、周波数変換器１４ａ〜１４ｃの出力信号を増幅する増幅器１５ａ〜１５ｃと、増幅器１５ａ〜１５ｃの出力信号をサーキュレータ５ａ〜５ｃと合成器６ａ〜６ｃに分岐させるカップラ１６ａ〜１６ｃとを有する。
【００２４】
この他、図１の基地局２は、周波数変換器９ａ〜９ｃ，１４ａ〜１４ｃにそれぞれ局部発振信号を供給する周波数シンセサイザ１７を有する。周波数シンセサイザ１７は、それぞれ周波数の異なる信号を出力する複数の局部発振器を有するか、あるいは、一つの局部発振器と、この局部発振器から出力された局部発振信号を逓倍または分周して複数の周波数信号を出力する分周器とを有する。
【００２５】
一方、図１の制御局３は、受信系の構成として、基地局２から伝送されてきた光信号を電気信号に変換する光／電気変換器（光／電気変換手段）２１と、光／電気変換器２１の出力信号を複数の信号に分配する分配器（分配手段）２２と、分配器２２から出力された各信号をそれぞれ異なる周波数の信号に変換する周波数変換器（第３の周波数変換手段）２３ａ〜２３ｃと、周波数変換器２３ａ〜２３ｃの出力信号に基づいて送信信号のフィードバック信号を検出するフィードバック信号検出器（フィードバック手段）２４と、フィードバック信号に基づいて校正係数を演算する校正係数演算回路（比較手段）２５と、校正係数に基づいて送受信用の重み係数を演算するアダプティブアンテナ重み係数演算回路（重み係数演算手段）２６と、演算された重み係数に基づいて受信信号の重み付けを行う乗算器（第１の重み付け手段）２７ａ〜２７ｃと、乗算器２７ａ〜２７ｃの各出力信号を合成する合成器２８と、合成器２８で合成された信号を復調する復調器２９とを有する。
【００２６】
また、図１の制御局３は、送信系の構成として、送信用の変調信号を生成する変調器３１と、変調信号を複数に分配する分配器３２ａ〜３２ｃと、分配された変調信号を重み係数に基づいて重み付けする乗算器（第２の重み付け手段）３３ａ〜３３ｃと、乗算器３３ａ〜３３ｃの出力信号をそれぞれ異なる周波数の信号に変換する周波数変換器３４ａ〜３４ｃと、周波数変換器３４ａ〜３４ｃの出力信号を多重化する合成器３５と、合成器３５で多重化された信号を光信号に変換して光ファイバ４を介して基地局２に伝送する電気／光変換器３６とを有する。
【００２７】
この他、図１の制御局３は、周波数変換器２３ａ〜２３ｃ，３４ａ〜３４ｃにそれぞれ局部発振信号を供給する周波数シンセサイザ３７を有する。周波数シンセサイザ３７は、それぞれ周波数の異なる信号を出力する複数の局部発振器を有するか、あるいは、一つの局部発振器と、この局部発振器から出力された局部発振信号を逓倍または分周して複数の周波数信号を出力する分周器とを有する。本実施形態では、基地局２内の周波数シンセサイザ１７と制御局３内の周波数シンセサイザ３７は、周波数とタイミングの同期が取れていると仮定する。
【００２８】
図１の基地局２において、合成器６ａ〜６ｃ、パイロット信号挿入器７、ローノイズアンプ８ａ〜８ｃ、周波数変換器９ａ〜９ｃ、合成器９および電気／光変換器１１がフィードバック手段に対応し、周波数変換器８ａ〜８ｃ，９ａ〜９ｃ、合成器１０、および電気／光変換器１１が伝送手段に対応する。また、図１の制御局２において、重み係数演算回路２６と乗算器２７ａ〜２７ｃ，３３ａ〜３３ｃとが補償手段に対応し、フィードバック信号検出器２４が第１および第２の検出手段に対応する。
【００２９】
図１の基地局２は、制御局３から基地局２に伝送された送信信号を、アレーアンテナ１から放射する前に、基地局２内の受信系を介して制御局３にフィードバックする。また、制御局３は、フィードバック信号のうち２つの信号を比較し、送信信号の相対位相差と相対振幅変動量を補償するための校正係数を生成する。
【００３０】
以下、図１の無線通信システムの動作を説明する。アンテナ素子１ａ〜１ｃで受信された信号と制御局３から基地局２に伝送されてきた送信信号とは、合成器６ａ〜６ｃで合成された後、パイロット信号挿入器７によりパイロット信号が挿入される。その後、ローノイズアンプ８ａ〜８ｃを介して周波数変換器９ａ〜９ｃに入力され、各アンテナ素子１ａ〜１ｃに対応する各ブランチごとにそれぞれ異なる周波数に変換される。このとき、光ファイバ４や光源の周波数特性等に応じた中間周波数に変換するのが望ましい。中間周波数に変換することにより、光伝送系の構成を簡略化することができる。周波数変換器９ａ〜９ｃの出力信号は、合成器１０にて周波数が多重化された後、電気／光変換器１１にて光信号に変換されて基地局２に伝送される。
【００３１】
図２は合成器１０で周波数多重化された信号の周波数スペクトル図である。図２に示すように、アレーアンテナ１での受信信号と、パイロット信号と、制御局３からの送信信号とが、それぞれ異なる周波数間隔で配置され、これらを一群としてサブキャリアｆ１〜ｆ３が割り当てられる。なお、周波数変換器９ａ〜９ｃの内部に設けられる不図示の帯域フィルタは、各サブキャリアの信号群を通過可能な帯域を持っている必要がある。
【００３２】
制御局３に伝送されてきた光信号は、制御局３内の電気／光変換器２１にて再び電気信号に変換された後、分配器２２にて複数のブランチ信号に分配される。これらブランチ信号は、周波数変換器２３ａ〜２３ｃにて同一の周波数信号に変換された後、フィードバック信号検出器２４と乗算器２７ａ〜２７ｃに入力される。
【００３３】
フィードバック信号検出器２４は、周波数変換器２３ａ〜２３ｃの各出力信号の中から、制御局３が送信した送信信号と、パイロット信号と、アダプティブアンテナ１で受信された受信信号とを抽出する。
【００３４】
校正係数演算回路２５は、フィードバック信号検出器２４で抽出された各ブランチの送信信号のうち、いずれか一つのブランチの送信信号を基準として、残りのブランチの送信信号との相対位相差と相対振幅偏差を検出し、検出結果に応じた校正係数を演算する。
【００３５】
重み係数演算回路２６は、周波数変換器２３ａ〜２３ｃの出力信号と、校正係数演算回路２５で演算された校正係数と、ビーム制御のために計算された送信／受信ウェイトとに基づいて、送信信号に対する重み係数と受信信号に対する重み係数を演算する。
【００３６】
乗算器２７ａ〜２７ｃは、周波数変換器２３ａ〜２３ｃの出力信号と重み係数演算回路２６で演算された重み係数とを乗算して受信信号の重み付けを行う。重み付けされた受信信号は、復調器２９に入力されて復調される。
【００３７】
一方、制御局３内の変調器３１で変調された送信信号は、乗算器３３ａ〜３３ｃにて、重み係数演算回路２６で演算された重み係数と乗算されて、重み付けされる。重み付けされた送信信号は、周波数変換器３４ａ〜３４ｃにてそれぞれ異なる周波数の信号に変換された後、合成器３５にて周波数多重化される。
【００３８】
周波数多重化された送信信号は、電気／光変換器３６にて光信号に変換された後、光ファイバ４を介して基地局２に伝送される。
【００３９】
基地局２に伝送されてきた光信号は、分配器１３にて複数のブランチ信号に分配され、各ブランチ信号は周波数変換器１４ａ〜１４ｃに入力されて無線周波数の信号にアップコンバートされる。
【００４０】
周波数変換器１４ａ〜１４ｃの各出力信号は、増幅器１５ａ〜１５ｃに入力されて増幅された後、カップラ１６ａ〜１６ｃとサーキュレータ５ａ〜５ｃを介してアンテナ素子１ａ〜１ｃに入力される。
【００４１】
次に、図１のフィードバック信号検出器２４、校正係数演算回路２５、および重み係数演算回路２６の詳細構成および動作について説明する。
【００４２】
校正係数演算回路２５は、図３に詳細構成を示すように、位相差検出器５１と、振幅比検出器５２と、演算器５３とを有する。位相差検出器５１と振幅比検出器５２の双方には、周波数変換器２３ａ〜２３ｃの各出力信号がそれぞれ入力される。位相差検出器５１は各出力信号間の位相差を検出し、振幅比検出器５２は各出力信号間の振幅偏差を検出する。
【００４３】
演算器５３は、１番目のブランチを基準としたときのｊ番目のブランチの相対位相差をθ１ｊ、相対振幅比をＡ１ｊとした場合、以下の（１）〜（３）式に基づいて、校正係数Ｃ１〜Ｃ３を演算する。
【００４４】
【数１】
【００４５】
図３の振幅比検出器５２は、図５に詳細構成を示すように、位相補正器６５と、ダイオード６６ａ，６６ｂと、サンプリング器６７ａ，６７ｂと、割り算器６８とを有する。位相補正器６５は、２種類の送信信号のうち一方の送信信号の位相差補正を行って同相入力とする。位相補正器６５の出力と他方の送信信号は、それぞれダイオード６６ａ，６６ｂに入力されて包絡線成分が取り出される。これら包絡線成分はサンプリング器６７ａ，６７ｂでサンプリングされ、サンプリング出力の比が割り算器６８で得られる。
【００４６】
図１の重み係数演算回路２６は、校正係数と周波数変換器２３ａ〜２３ｃの各出力信号に基づいて、所望のアンテナパターンを形成するための送信ウェイトｗ’Ｔ１〜ｗ’Ｔ３を演算する。送信ウェイトｗ’Ｔ１〜ｗ’Ｔ３は、以下の（４）式で示すように、位相成分ｅｊ φ ｉと振幅成分Ｍとに分離することができる。
【００４７】
ｗ’Ｔｊ＝Ｍｅｊ φ ｉ （ｊ＝１，２，３） …（４）
結局、送信系のみの位相変動θ’ｉｊは、θ’ｉｊ＝θｉｊ−φｉ−φｉｊ、振幅変動Ａ’ｉｊは、Ａ’ｉｊ＝Ａｉｊ／（Ｍ・Ｂｉｊ） で求められるので、補償すべき送信系の校正係数ＣＴは、（５）〜（７）式のようになる。
【数２】
【００４８】
ｗＴｉ＝ ｗ’Ｔｉ・ＣＴｉ （ｉ＝１，２，３） …（８）
上述した（５）〜（８）式で示すような重み付けを行うことにより、アンテナ端から送信される地点で、所望のビームパターンを形成する信号が得られる。
【００４９】
同様に、受信系の校正係数ＣＲｉは、以下の（９）〜（１１）式で表される。
【００５０】
【数３】
【００５１】
次に、パイロット信号挿入器７で挿入されるパイロット信号について説明する。パイロット信号は、例えば、ＰＮ系列（擬似ランダム雑音系列）等で構成され、その信号列は制御局３−基地局２間で既知とする。また、パイロット信号は、フィードバックされる送信信号に時分割で挿入したり、周波数分割で挿入することが可能であるが、いずれの場合も、等振幅の信号を各ブランチごとに同時に挿入する必要がある。
【００５２】
このように、パイロット信号としてＰＮ系列を同時に挿入した場合、フィードバック信号検出器２４で取り込まれた各ブランチのパイロット信号は、相関処理を行うことにより、図６に示すように、その到達タイミングと相関強度を表すインパルス性の強い相関出力になる。この相関出力により、受信系における各ブランチ間の到達遅延時間差ｔ１， ｔ２を観測でき，変動位相差φｉｊを求めることができる。また，ピーク値を比較することにより，受信系の各ブランチ間の相対振幅比Ｂｉｊを検出することができる。
【００５３】
上述した実施形態では，ＰＮ 系列のパイロット信号を用いたが，正弦波の搬送波だけをパイロット信号としてフィードバックしてもよい。この場合、制御局３のフィードバック信号検出器２４は，前述の位相差検出器の構成と同様に、乗積器と低域フィルタにより、相対位相差φｉと相対強度比Ｂｉを推定することができる。
【００５４】
このように、第１の実施形態では、基地局２から制御局３に対して、送信信号のフィードバック信号と、アレーアンテナ１での受信信号と、パイロット信号とを多重化して伝送するため、パイロット信号に基づいて、制御局３内で送信信号の相対位相差と相対振幅変動量を検出することができる。また、パイロット信号を用いることにより、周波数シンセサイザ１７，３７から出力される各局部発振信号の同期確立や、基地局２と制御局３との間で伝送される各ブランチ信号の同期確立が可能になる。
【００５５】
また、第１の実施形態では、図４や図５に示すような簡易な構成の位相差検出器５１や振幅比検出器５２を用いて相対位相差と相対振幅変動量を検出できるため、システムの構成を簡略化でき、コストもそれほどかからない。また、アダプティブアンテナにおける送信ビーム制御を精度よく行えるため、高利得かつ狭ビームにより端末局を追尾することができ、一つの基地局２当たりのカバーエリアを拡大でき、ハンドオフ先基地局２の回線混雑による呼損率を低く抑えることもできる。
【００５６】
さらに、メインビームに比べて角度的にセンシティブなヌルの制御を精度よく行えるため、隣接基地局２や他の基地局２と通信中の端末局への干渉を抑えることができ、通信品質を改善できるとともに、システム全体としてのユーザ収容能力の向上が図れる。
【００５７】
なお、上述した実施形態では、図２に示すように、送信信号とパイロット信号を周波数多重する方式について説明したが、送信信号とパイロット信号を時分割多重して制御局３にフィードバックする方式を採用してもよい。
【００５８】
この方式を採用すれば、周波数変換器の通過帯域幅を狭くすることができ、また、各コンポーネントのわずかな周波数特性の影響による推定誤差の発生を防止できる。
【００５９】
また、光ファイバ中では、多重されている受信信号、送信信号およびパイロット信号を受信後に分離することは容易なため、通信中でも校正を行うことができ、校正のために通信が遮断されるような不具合が起きなくなる。
【００６０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、送信信号の絶対位相を検出するものである。
【００６１】
図７は本発明に係る無線通信システムの第２の実施形態のブロック図である。図７では、図１と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００６２】
図７の基地局２は、図１の基地局２と同様に構成されている。図７の制御局３は、図１の構成に加えて、重み付けされた送信信号のいずれか一つを選択する切替器（制御局内切替手段）７１を有する。図７の校正係数演算回路２５は、切替器７１で選択された送信信号と、フィードバック信号検出器２４の出力とに基づいて、送信信号の絶対位相と振幅変動の絶対値を検出する。
【００６３】
図７の校正係数演算回路２５の出力ＣＴは（１２）式のようになる。
【００６４】
【数４】
【００６５】
（１２）式に示すように、θｉとφｉとの差分を演算することにより、送信信号の絶対位相と絶対振幅変動量を演算することができる。
【００６６】
図７の重み係数演算回路２６は、以下の（１３）式に基づいて送信信号の重み係数ｗＴｉを演算する。
【００６７】
ｗＴｉ＝ｗ’Ｔｉ・ＣＴｉ （ｉ＝１，２，３） …（１３）
アダプティブアンテナを有する無線通信システムでは、送信信号の相対位相と相対振幅変動量がわかれば、正しい送信信号を形成できるが、それ以外の目的で各送信ブランチの絶対位相と絶対振幅変動値を知る必要がある場合に、上述した第２の実施形態は有効である。
【００６８】
また、第２の実施形態は、送信信号がフィードバック伝送経路を介して戻ってくるまでの遅延時間、すなわち位相回転が信号の１シンボル長に比べて十分短い場合に有効である。
【００６９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、パイロット信号なしで絶対位相差と絶対振幅変動量を検出するものである。
【００７０】
図８は本発明に係る無線通信システムの第３の実施形態のブロック図である。図８では、図７と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００７１】
図８の無線通信システムは、パイロット信号を伝送しない代わりに、制御局３から基地局２に伝送された送信信号を制御局３にフィードバックする校正用の伝送経路を有することを特徴とする。
【００７２】
図８の基地局２は、制御局３からの送信信号のいずれか一つを選択する切替器（基地局内切替手段）７２と、切替器７２で選択された信号を増幅する増幅器７３と、増幅器７３で増幅された信号の周波数を変換する周波数変換器（第２の周波数変換手段）７４と、周波数変換器７４の出力信号を光信号に変換する光／電気変換器（第２の電気／光変換手段）７５とを有する。
【００７３】
また、図８の制御局３は、基地局２から伝送されてきた送信信号のフィードバック信号を電気信号に変換する光／電気変換器（第２の光／電気変換手段）７６を有する。光／電気変換器７６の出力信号は、フィードバック信号検出器２４に入力される。
【００７４】
図８の無線通信システムでは、基地局２内の切替器７２と制御局３内の切替器７１を順次切り替えて、送信ブランチを一つずつ校正する。ただし、現在校正しているアンテナ素子に対応するブランチを、制御局３と基地局２はともに把握しているものとする。
【００７５】
また、図８の無線通信システムでは、各送信ブランチの位相差と振幅変動量は互いに異なっているが、専用のフィードバック伝送経路の位相差と振幅変動量は常に共通であるため、校正係数演算回路２５で求められた各ブランチの校正係数は、ブランチ間で相対的な値として求められる。図８に示すようなアダプティブアンテナを有するシステムでは、相対位相と相対振幅が一定であればアンテナパターンは一意に定まるため、絶対的な位相や振幅変動量がわからなくても、校正を正しく行うことができる。
【００７６】
また、図８の無線通信システムにおける受信系の校正は、第１の実施形態と同様に、送信系の校正が確立した後、基地局２において送信信号を受信系を介して制御局３にフィードバックし、制御局３で送信信号に対する重み係数で重み付けした送信信号と比較することにより、受信系の校正係数を求めることができる。
【００７７】
このように、第３の実施形態では、パイロット信号を用いることなく相対位相差と相対振幅変動量を検出できるため、基地局２内でパイロット信号を挿入して多重化する処理が不要となり、また、制御局３内でパイロット信号を分離抽出する処理も不要となる。したがって、システムの構成を簡略化することができる。
【００７８】
（第４の実施形態）
上述した第１〜第３の実施形態では、重み係数演算回路２６にて、校正係数を加味した送信信号に対する重み係数を生成して送信信号の重み付けを行う例を説明したが、送信ウェイトによる送信信号の重み付けとは別個に、校正係数による送信信号の重み付けを行ってもよい。
【００７９】
図９は本発明に係る無線通信システムの第４の実施形態のブロック図である。図９では図７と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。
【００８０】
図９の基地局２は、図７と同様に構成されている。また、図９の制御局３内の校正係数演算回路２５は、図７と同様の処理を行うが、その処理結果は、重み係数演算回路２６ではなく、送信系に新たに設けられた乗算器（第３の重み付け手段）７７ａ〜７７ｃに供給される。
【００８１】
また、重み係数演算回路２６は、校正係数演算回路２５で演算された校正係数を考慮に入れずに、送信ウェイトと受信ウェイトを演算する。乗算器３３ａ〜３３ｃは、送信ウェイトに基づいて送信信号の重み付けを行う。また、新たに追加された乗算器７７ａ〜７７ｃは、重み付けされた送信信号に対して、校正係数に基づいてさらに重み付けを行う。
【００８２】
なお、上述した図８の無線通信システムについても、図９と同様に、送信ウェイトによる重み付けと校正係数による重み付けとを別々に行ってもよい。
【００８３】
図１０は図８を変形した無線通信システムのブロック図である。図１０の基地局２は、図８と同様に構成されている。また、図１０の制御局３内の重み係数演算回路２６は、校正係数演算回路２５で演算された校正係数を考慮に入れずに、送信ウェイトと受信ウェイトを演算する。乗算器３３ａ〜３３ｃは、送信ウェイトに基づいて送信信号の重み付けを行う。また、新たに追加された乗算器７７ａ〜７７ｃは、重み付けされた送信信号に対して、校正係数に基づいてさらに重み付けを行う。
【００８４】
このように、第４の実施形態では、送信ウェイトによる重み付けと、校正係数による重み付けとを別々に行うため、どちらか一方のみを行うようにすることも可能になる。
【００８５】
（その他の実施形態）
上述した各実施形態では、ＲＯＦ内の伝送方式として副搬送波多重（ＳＣＭ）方式を用いる例を説明したが、ＳＣＭ以外の伝送方式、例えば、波長多重伝送方式、複数の光ファイバをそれぞれ別々のブランチに割り当てる方式、時分割多重伝送方式、符号分割多重方式による方法等でも同様のシステムを構築できる。
【００８６】
また、上述した各実施形態において、送信用の光ファイバケーブルと受信用の光ファイバケーブルとを別個に設けてもよいが、送受信信号は時分割複信または周波数分割複信されるので、１本の光ファイバで送受信を行ってもよい。
【００８７】
さらに、上述した実施形態では、基地局２と制御局３を接続する有線通信媒体として光ファイバを用いる例を説明したが、同軸ケーブルやイーサネットケーブル等を用いたシステムでも、同様の校正処理を行うことができ、同様の効果が得られる。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、制御局から基地局に伝送された送信信号を制御局にフィードバックさせ、送信信号とフィードバックされた信号との比較結果、またはフィードバックされた信号のいずれか２つの信号の比較結果に基づいて、送信信号の位相および振幅調整を行うため、制御局および基地局内を送信信号が伝搬する間に生じた位相差や振幅変動量を簡易かつ精度よく校正することができる。
【００８９】
また、本発明によれば、通信中においても校正処理を行えるため、校正のために通信が遮断されるおそれもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る無線通信システムの第１の実施形態のブロック図。
【図２】合成器で周波数多重化された信号の周波数スペクトル図。
【図３】校正係数演算回路の詳細構成を示すブロック図。
【図４】位相差検出器の詳細構成を示すブロック図。
【図５】振幅比検出器の詳細構成を示すブロック図。
【図６】パイロット信号の到達タイミングと相関強度を示す図。
【図７】本発明に係る無線通信システムの第２の実施形態のブロック図。
【図８】本発明に係る無線通信システムの第３の実施形態のブロック図。
【図９】本発明に係る無線通信システムの第４の実施形態のブロック図。
【図１０】第４の実施形態の変形例を示すブロック図。
【符号の説明】
１ アレーアンテナ
１ａ〜１ｃ アンテナ素子
２ 基地局
３ 制御局
４ 光ファイバ
５ａ〜５ｃ サーキュレータ
６ａ〜６ｃ，１０ａ〜１０ｃ，２８，３５ 合成器
７ パイロット信号挿入器
８ａ〜８ｃ ローノイズアンプ
９ａ〜９ｃ，１４ａ〜１４ｃ，２３ａ〜２３ｃ，３４ａ〜３４ｃ 周波数変換器
１１，３６ａ〜３６ｃ 電気／光変換器
１２，２１ 光／電気変換器
１３，２２，３２ａ〜３２ｃ 分配器
１５ 増幅器
１６ａ〜１６ｃ カップラ
１７ 周波数シンセサイザ
２４ フィードバック信号検出器
２５ 校正係数演算回路
２６ 重み係数演算回路
２７ａ〜２７ｃ，３３ａ〜３３ｃ 乗算器
２９ 復調器
３１ 変調器
Claims (9)
- 無線通信端末と、この無線通信端末と無線通信を行う基地局と、この基地局と有線伝送路を介して接続された制御局とからなる無線通信システムにおいて、
前記基地局は、
複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、
前記有線伝送路を介して前記制御局から伝送されてきた前記各アンテナ素子に対応した各々の送信信号を、前記有線伝送路を介して前記制御局にフィードバックするフィードバック手段を有し、
前記制御局は、
前記フィードバック手段からフィードバックされた前記各送信信号の中から、少なくとも二つの信号を比較し、位相差及び又は振幅変動量を検出する比較検出手段と、
前記比較検出手段で検出した位相差及び又は振幅変動量に基づいて、前記複数のアンテナ素子に対応した各々の送信信号を補償する補償手段とを有することを特徴とする無線通信システム。 - 前記フィードバック手段は、
前記複数のアンテナ素子への各送信信号に、位相及び又は振幅が既知のパイロット信号をそれぞれ挿入するパイロット信号挿入手段と、
前記パイロット信号挿入手段の各出力信号を多重化して前記有線伝送路を介して前記制御局に伝送する伝送手段と、を更に有し、
前記比較検出手段は、
前記パイロット信号に基づいて、前記基地局から前記制御局への受信系経路の位相差及び又は振幅変動量を検出する第１の検出手段と、
前記第１の検出手段の検出結果に基づいて、前記制御局から前記基地局への送信系経路の位相差及び又は振幅変動量を検出する第２の検出手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。 - 前記フィードバック手段は、
前記複数のアンテナ素子への各送信信号と、対応する前記アンテナ素子での受信信号とを合成する合成手段と、
前記合成手段により合成された各信号に、位相及び又は振幅が既知のパイロット信号をそれそれ挿入するパイロット信号挿入手段と、
前記パイロット信号挿入手段の各出力信号を、それぞれ異なる周波数の信号に変換する複数の第１の周波数変換手段と、
前記複数の第１の周波数変換手段の各出力信号を多重化する周波数多重化手段と、
前記周波数多重化手段で多重化された信号を光変調して前記有線伝送路を介して前記制御局に伝送する電気／光変換手段と、を有し、
前記制御局は、
前記電気／光変換手段から前記有線伝送路を介して伝送されてきた光信号を電気信号に変換する光／電気変換手段と、
前記光／電気変換手段で変換された電気信号をそれぞれ異なる複数の周波数の信号に分配する分配手段と、
前記分配手段で分配された各信号を同一周波数の信号に変換する複数の第２の周波数変換手段と、を有し、
前記比較検出手段は、
前記複数の第２の周波数変換手段の各出力信号の中から、前記パイロット信号と前記複数のアンテナ素子への送信信号のフィードバック信号とを抽出する抽出手段と、
前記パイロット信号に基づいて、前記基地局から前記制御局への受信系経路の位相差及び又は振幅変動量を検出する第１の検出手段と、
前記第１の検出手段の検出結果に基づいて、前記制御局から前記基地局への送信経路の位相差及び又は振幅変動量を検出する第２の検出手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。 - 無線通信端末と、この無線通信端末と無線通信を行う基地局と、この基地局と有線伝送路を介して接続された制御局とからなる無線通信システムにおいて、
前記基地局は、
複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、
前記有線伝送路を介して前記制御局から伝送されてきた前記アンテナ素子に対応した各々の送信信号を、前記有線伝送路を介して前記制御局にフィードバックするフィードバック手段を有し、
前記制御局は、
前記複数のアンテナ素子に対応した前記各送信信号の少なくともいずれか一つと前記フィードバック手段からフィードバックされた信号の少なくともいずれか一つとを比較し、両者の絶対位相差及び又は絶対振幅変動量を検出する比較検出手段と、
前記比較検出手段の比較結果に基づいて、前記複数のアンテナ素子に対応した各々の送信信号を補償する補償手段と、を有することを特徴とする無線通信システム。 - 前記制御局は、
前記複数のアンテナ素子に対応した各々の送信信号のいずれか一つを選択する制御局内切替手段を有し、
前記比較検出手段は、前記制御局内切替手段で選択された送信信号と、該送信信号に対応する前記フィードバック手段からフィードバックされた信号とに基づいて、該送信信号の絶対位相差及び又は絶対振幅変動量とを検出することを特徴とする請求項４記載の無線通信システム。 - 前記フィードバック手段は、前記複数のアンテナ素子に対応した各々の送信信号のうちいずれか一つを選択して前記制御局にフィードバックする専用伝送経路を有し、
前記比較検出手段は、前記専用伝送経路を介して前記制御局にフィードバックされた信号と、該信号に対応する送信信号とを比較し、該送信信号の絶対位相差及び又は絶対振幅変動量を検出することを特徴とする請求項４記載の無線通信システム。 - 前記フィードバック手段は、
前記複数のアンテナ素子に対応した各々の送信信号と、対応する前記アンテナ素子での受信信号とを合成する合成手段と、
前記合成手段により合成された各信号を、それぞれ異なる周波数の信号に変換する複数の第１の周波数変換手段と、
前記複数の第１の周波数変換手段の各出力信号を多重化する周波数多重化手段と、
前記周波数多重化手段で多重化された信号を光変調して前記有線伝送路を介して前配制御局に伝送する第１の電気／光変換手段と、
前記複数のアンテナ素子への各送信信号のうちいずれか一つを選択する基地局内切替手段と、
前記基地局内切替手段で選択された送信信号を周波数変換する第２の周波数変換手段と、
前記第２の周波数変換手段の出力信号を光変調して前記専用伝送路を介して前記制御局に伝送する第２の電気／光変換手段と、を有し、
前記制御局は、
前記第１の電気／光変換手段から前記有線伝送路を介して伝送されてきた光信号を電気信号に変換する第１の光／電気変換手段と、
前記第１の光／電気変換手段で変換された電気信号を複数の周波数信号に分配する分配手段と、
前記分配手段で分配された各信号を同一周波数の信号に変換する複数の第３の周波数変換手段と、
前記第２の電気／光変換手段から前記専用伝送路を介して伝送されてきた光信号を電気信号に変換する第２の光／電気変換手段と、
前記複数のアンテナ素子に対応した各々の送信信号のいずれか一つを選択する制御局内切替手段と、を有し、
前記比較検出手段は、前記基地局内切替手段および前記制御局内切替手段を順次に切り替えて、前記アンテナ素子のそれぞれごとに、該信号に対応する送信信号と前記第２の光／電気変換手段の出力信号とを比較し、該送信信号の絶対位相差及び又は絶対振幅変動量を検出することを特徴とする請求項４記載の無線通信システム。 - 前記アレーアンテナは、送受信ビームの指向性を変更可能なアダプティブアンテナであり、
前記制御局は、
前記アダプティブアンテナの指向性を変更するため、前記各アンテナ素子に対する位相及び振幅に関するアダプティブアンテナ重み係数を演算するアダプティブアンテナ重み係数演算手段とを更に具備し、
前記補償手段は、
前記比較検出手段の比較結果に基づいて、前記複数のアンテナ素子に対応した各々の送信信号の位相差及び又は振幅変動量を推定するための校正係数を演算する校正係数演算手段と、
前記アダプティブアンテナ重み係数と前記校正係数を基づいて送信重み係数と受信重み係数とを演算する重み係数演算手段と、
前記受信重み係数に基づいて、前記複数のアンテナ素子での受信信号の重み付けを行う第１の重み付け手段と、
前記送信重み係数に基づいて、前記複数のアンテナ素子への送信信号の重み付けを行う第２の重み付け手段とからなることを特徴とする請求項４記載の無線通信システム。 - 前記有線伝送路は、光ファイバを用いた伝送路であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の無線通信システム。
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