JP3639157B2 - 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、可変指向性アンテナを備えた基地局と、基地局に光ファイバで接続された制御局とで構成され、可変指向性アンテナを制御局側で制御する機能を備える無線通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やＩＴＳ (Intelligent Transport Systems)に代表される移動通信の基地局と制御局とを光ファイバで接続して信号伝送を行うRadio on Fiber (ROF)技術が注目されている。ROF技術は、基地局から制御局に光ファイバを介して無線信号を伝送させ、変復調器及び制御器等を制御局に一括収容して、基地局の構成を簡略化して小型化するものである。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可能となる。
【０００３】
また、基地局での周波数帯域の逼迫、あるいは干渉波等の問題を解決すべく、指向性を可変できるアダプティブアンテナが注目されている。アダプティブアンテナは、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備えたものであり、各アンテナ素子から送信する送信信号によってアンテナの指向性を変化させることができる。
【０００４】
制御局内のビーム演算回路は、基地局から加入者への無線信号の放射パターンと、加入者から基地局への無線信号の放射パターンとを導出し、加入者の移動及び位置に合わせて、適応的にアダプティブアンテナの指向性を変える。
【０００５】
この種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に関する報告が幾つか発表されている（例えば、特開平10-145286）。
【０００６】
図１７および図１８はＲＯＦ技術を利用した無線通信システムの概略構成を示すブロック図である。無線通信システムとしての送受信機能を考慮に入れた場合、最も重要なことは、各アンテナ素子毎に受信した無線信号を、基地局から制御局に相対位相差、相対強度差を維持した状態で伝達することである。
【０００７】
このため、従来のシステムは、各アンテナ素子の送受信信号をそれぞれ光信号に変換し、基地局と制御局間で、波長多重して、あるいは、各アンテナ素子に一本の光ファイバを割り当てて、伝送していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＲＯＦ技術を利用した従来のシステムの場合、図１７および図１８に示すように、各アンテナ素子線路に、電気―光変換器と光―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、アンテナ素子数分の光送受信器対が必要となる。
【０００９】
このため、基地局及び制御局の光伝送部分の構成要素が大幅に増加し、構成が複雑化して大規模の装置になる。また、波長多重伝送を行う場合は、光合波器、光分波器、光源の波長制御機能等の構成がさらに必要となる。
【００１０】
一方、各アンテナ素子ごとに光ファイバを設けるようにすると、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え、それに伴って、光−電気変換器や電気−光変換器などの光伝送系の構成が複雑かつ大規模になる。
【００１１】
このように、アダプティブアンテナを備えてＲＯＦ技術を利用して信号伝送を行う従来の無線通信システムは、光伝送系の構成要素が多いために構成が複雑になるという問題があり、基地局及び制御局の小型化が困難で、コストも下げられない。
【００１２】
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、基地局あるいは制御局の構成を簡略化することができる無線通信システムを提供することにある。
【００１３】
【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、本発明は、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り前記無線通信端末の位置に応じて指向性を変更可能な可変指向性アンテナと、前記複数のアンテナ素子を介して、前記無線通信端末から受信した受信信号をそれぞれ異なる帯域に周波数変換する第１の周波数変換手段と、前記第１の周波数変換手段により周波数変換された複数の信号を合波して第１の副搬送波多重信号を生成する第１の副搬送波多重信号生成手段と、前記第１の副搬送波多重信号を前記有線伝送路を介して前記制御局に送信する第１の送信手段と、前記第１の周波数変換手段に周波数変換の基準となる第１の基準信号を供給する第１の局部発振器と、を有し、前記制御局は、前記有線伝送路を介して前記基地局から送信された前記第１の副搬送波多重信号を前記複数のアンテナ素子ごとに分波して、同一の周波数帯の信号に周波数変換する第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に基づいて、前記複数のアンテナ素子の指向性を制御するための重み係数を求めるビーム演算手段と、前記重み係数に基づいて、前記第２の周波数変換手段により周波数変換された複数の信号に対して重み付けを行う第１の重み付け手段と、前記第１の重み付け手段で重み付けされた各信号を合波して受信信号を生成する受信信号生成手段と、前記第２の周波数変換手段に周波数変換の基準となる第２の基準信号を供給する第２の局部発振器と、を有し、前記第２の局部発振器は、前記第２の周波数変換手段が前記複数のアンテナ素子の各受信信号間の相対位相差を維持した信号を出力するように、前記第１の基準信号と所定の位相関係にある前記第２の基準信号を出力する。
【００１４】
本発明では、発明では、複数のアンテナ素子で受信した信号を副搬送波多重して制御局に送信するため、基地局と制御局との光伝送系の構成を簡略化することができる。また、制御局内の局部発振信号の位相を調整するため、複数のアンテナ素子で受信した各受信信号の相対位相差を維持したまま、基地局から制御局に受信信号を伝送することができる。
【００１５】
発明では、周波数変換用の基準信号を基地局と制御局とで共有するため、構成を簡略化することができる。
【００１６】
本発明では、基地局または制御局のいずれか一方で生成した基準信号を、副搬送波多重信号に重畳して他方に送信するため、周波数変換用の基準信号を基地局と制御局とで共有できるとともに、光伝送系の構成を簡略化することができる。
【００２３】
本発明では、基地局と制御局の少なくとも一方に位相補償回路を設けるため、基地局および制御局間の信号伝搬路と、基地局および制御局内の信号処理とにより発生される位相変動量を相殺できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る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。なお、以下の実施形態では、原理的な位相状態および信号強度状態を示すため、各アンテナ素子線路に挿入されているアンプ、乗算器、フィルタ等のマイクロ波部品の固体差によるゲイン、損失、透過率、群速度のバラツキ及び線路長による遅延差は無視している。
【００２５】
（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の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図１の無線通信システムは、基地局１と制御局２とで構成され、それぞれは光ファイバ３で接続されている。
【００２６】
基地局１は、４つのアンテナ素子からなるアレーアンテナ４ａ〜４ｄと、ローノイズアンプ５ａ〜５ｄと、基地局局部発振器（第１の局部発振器）６と、乗算器（第１の周波数変換手段）７ａ〜７ｄと、バンドパスフィルタ８ａ〜８ｄと、加算器（第１の副搬送波多重信号生成手段）９と、電気―光変換器（Ｅ／Ｏ変換器：第１の送信手段）１０とを有する。
【００２７】
制御局２は、光−電気変換器（Ｏ／Ｅ変換器）１１と、分配器１２と、制御局局部発振器（第２の局部発振器）１３と、乗算器（第２の周波数変換手段）１４ａ〜１４ｄと、バンドパスフィルタ１５ａ〜１５ｄと、ビーム演算回路（ビーム演算手段）１６と、重み付け回路（第１の重み付け手段）１７ａ〜１７ｄと、加算器（受信信号生成手段）１８と、復調器１９とを有する。
【００２８】
基地局１は、図示されていない加入者からの無線信号７０をアレーアンテナ４ａ〜４ｄで受信する。本実施形態では、アレーアンテナ４の素子数が４つ（図１では、各素子を４ａ〜４ｄで図示）の場合について説明するが、素子数は幾つでもよい。各アレーアンテナ４ａ〜４ｄで受信した受信信号７１ａ〜７１ｄは、(1)式で表される。
【００２９】
【数１】
（１）式では、無線信号７０を、QPSK(quadriphase-shift keying)等の位相変調信号とし、位相変調項をφm(t)としている。なお、ｔは時間、ωは信号の角周波数、φは各信号の相対位相、Ｐは各信号の相対強度を示し、添え字で信号の種類を区別している。添え字のａ〜ｄは、各アンテナ素子ａ〜ｄに関与する信号であることを示している。（１）式に示すように、各受信信号７１ａ〜７１ｄは、無線信号７０の到来方向に応じて、位相及び振幅が変化する。
【００３０】
受信信号７１ａ〜７１ｄは、ローノイズアンプ５ａ〜５ｄを介して、乗算器７ａ〜７ｄに入力される。乗算器７ａ〜７ｄは、ローノイズアンプ５ａ〜５ｄを通過した信号と基地局局部発振器６から出力される基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄとを乗算して、周波数をダウンコンバートする。基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄは、（２）式で表される。
【００３１】
【数２】
基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄは、（２）式に示すように、パワーが等しく、周波数がそれぞれ異なる信号である。基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄとの乗算を行うことにより、受信信号７１ａ〜７１ｄは低周波数帯の信号に変換される。
【００３２】
乗算器７ａ〜７ｄの出力は、バンドパスフィルタ８ａ〜８ｄに入力されて、それぞれ所望の帯域の受信信号７３ａ〜７３ｄが抽出される。受信信号７３ａ〜ｄは（３）式で表される。
【００３３】
【数３】
バンドパスフィルタ８ａ〜８ｄを通過した受信信号７３ａ〜７３ｄは、加算器９で合波されて、副搬送波多重信号７４が生成される。生成された副搬送波多重信号７４は、電気−光変換器１０に入力されて、光信号１５０に変換され、光ファイバ３を介して制御局２に伝送される。
【００３４】
光ファイバ３を介して制御局２に伝送された光信号は、ＰＤ(Photo Detector)等の光−電気変換器１１で受信信号７５に変換される。受信信号７５は、分配器１２によりアンテナ素子分に分配された後、乗算器１４ａ〜１４ｄに入力される。
【００３５】
乗算器１４ａ〜１４ｄは、分配器１２の出力信号と制御局局部発振器１３から出力された基地局ＬＯ信号７６ａ〜ｄとを乗算して、周波数変換を行う。制御局ＬＯ信号７６ａ〜ｄは、（４）式で示すように、パワーが等しくて、周波数がそれぞれ異なる信号であり、この信号との乗算を行うことにより、副搬送波多重された受信信号７５の周波数は、制御局２内で周波数変換前の周波数に変換される。
【００３６】
【数４】
乗算器１４ａ〜１４ｄの出力は、バンドパスフィルタ１５ａ〜１５ｄに入力されて、所望の帯域の受信信号７７ａ〜７７ｄが抽出される。受信信号７７ａ〜７７ｄは、（５）式で表される。
【００３７】
【数５】
ここで、基地局局部発振器６の出力信号７２ａ〜７２ｄと制御局局部発振器１３の出力信号７６ａ〜７６ｄの各周波数と各位相は、（６）式と（７）式の条件を満たすように設定される。
【００３８】
【数６】
（６）および（７）式の条件を満たす場合、（５）式に示す受信信号７７ａ〜７７ｄは、（８）式のように書き直すことができる。
【００３９】
【数７】
（１）式と（８）式を比較すればわかるように、受信信号７７ａ〜７７ｄは、基地局１における受信信号７１ａ〜７１ｄの相対位相差φa〜φdと相対強度Ｐa〜Ｐdをそのまま維持している。したがって、基地局１から制御局２まで受信信号が伝搬する間の位相の付加や信号強度の変動の影響を無視することができる。
【００４０】
ビーム演算回路１６は、受信信号７７ａ〜７７ｄに基づいて、最適合成等の信号処理を制御するための演算を行う。対象となる無線通信システムが、無線信号７０の到来方向を求める必要がなければ、ビーム演算回路１６は最適合成のみを行えばよい。その場合は、（７）式の条件を必ずしも満たす必要はない。
【００４１】
本実施形態におけるビーム演算回路１６は、受信信号７７ａ〜７７ｄの一部を取り込んで、最適な信号合成を行うための位相及び強度の重みを求める。次に、これらの演算結果を基に、重み付け回路１７ａ〜１７ｄを制御して、受信信号７７ａ〜７７ｄに位相及び信号強度の重みを付加して、合波器１８で各信号を合波して受信信号７８を得る。受信信号７８は、復調器１９に入力されて、加入者からの情報が取り出される。
【００４２】
ビーム演算回路１６は、上記の信号処理以外にも、相対位相差φa〜φdと相対強度差Ｐa〜Ｐdに基づいて、遅延波に対する最適合波制御や、受信信号の不要波及び干渉波を抑圧してＳＩＲ (Signal-to-Interference Ratio)最適合波を行うことが可能である。また、無線信号７０の到来方向等を演算により求めることも可能である。
【００４３】
本実施形態では、基地局１から加入者への送信系は図示していないが、制御局２における無線信号７０の到来方向の推定は、基地局１から加入者への無線信号をどの方向に送信するかを決定するために重要であり、ビーム演算回路１６の演算結果を送信系に適用することが可能である。
【００４４】
原理的には、基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄと制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄの各信号強度が一定であれば、受信信号７１ａ〜７１ｄの相対強度差を保持したまま、制御局２側に伝送でき、同様に、制御局２から基地局１に信号を伝送することも可能である。以下では、相対強度差には言及せず、相対位相差に注目して説明を行う。
【００４５】
各アンテナ素子４ａ〜４ｄの受信信号７１ａ〜７１ｄは、基地局１から制御局２まで、異なる搬送波周波数で伝送される。搬送波周波数が異なると、伝搬時間に応じて、各アンテナ素子線路間の相対位相差が変化していく。このため、基地局１内と制御局２内での計２回の周波数変換で使用される基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄと制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄの位相項の関係を考慮する必要がある。
【００４６】
図２は基地局局部発振器６の構成を示すブロック図である。図示のように、基地局局部発振器６は、基準発振器２０、分配器２１と、位相比較器２２ａ〜２２ｄと、電圧制御型発振器(VCO:Voltage Control Oscillator)２３ａ〜２３ｄと、分周器２４ａ〜２４ｄと、ループフィルタ２５ａ〜２５ｄとを有する。
【００４７】
基準発振器２０には、例えば水晶等の高安定な発振器が用いられる。基準発振器２０の出力信号８０の発振周波数をfrとする。出力信号８０は、分配器２１でアンテナ素子の本数に分割され、それぞれの位相比較器２２ａ〜２２ｄに入力される。
【００４８】
位相比較器２２ａ〜２２ｄには、ＶＣＯ２３ａ〜２３ｄからの出力信号７２ａ〜７２ｄを、分周器２４ａ〜２４ｄにより、例えばＮ、(Ｎ＋１)、…、(Ｎ＋３)分周した信号８１が入力される。位相比較器２２ａ〜２２ｄは、２つの入力信号８０、８１の位相を比較し、位相比較信号８２を出力する。位相比較信号８２は、ループフィルタ２５ａ〜２５ｄを介してＶＣＯ２３ａ〜２３ｄにフィードバックされる。このフィードバックにより、ＶＣＯ２３ａ〜２３ｄの出力である基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄの周波数は、それぞれ順に、N×fr、(N+1)×fr、(N+2)×fr、(N+3)×frにロックされる。
【００４９】
図３は基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄの波形図である。実際に出力される発振信号７２ａ〜７２ｄは正弦波であるが、ここでは、立ち上がり、立ち下がりの位相状態がわかりやすいように矩形波で示し、立ち上がりの位相はゼロ度、立ち下がりの位相はπ度としている。
【００５０】
図３では、基準発振器出力信号８０と分周信号８１との位相差が０度になるように、位相比較器２１が位相比較信号８２を出力した場合の基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄの波形を示しており、基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄは、図３に図示された式で表される。
【００５１】
制御局２側における制御局局部発振器１３も、基地局局部発振器６と同様に構成され、制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄを生成する。制御局局部発振器１３における基準信号８０の発振周波数は、基地局１側と同じfrである。そして、制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄの周波数は、受信信号７７ａ〜７７ｄの周波数を一致させるように、順に(N+3)×fr、(N+2)×fr、(N+1)×fr、N×frにロックさせる。
【００５２】
ここで、基地局１側での基準信号８０の位相状態をφBS、制御局２側での基準信号８０の位相状態をφCSとする。受信信号７１から受信信号７７への位相変化量を示すため、(1)式で表されている受信信号７１ａを（９）式のように書き直す。
【００５３】
Ｒa(t)＝cos[ωRFｔ] …（９）
また、基準信号８０の位相状態がφBSであるとき、(2)式の基地局ＬＯ信号７２ａは、以下のように書き直すことができる。
【００５４】
ＬＯ１a(t)＝cos[Ｎωrｔ＋ＮφBS] …（１０）
図４（ａ）は乗算器７ａとバンドパスフィルタ８ａの入出力信号を示す図、図４（ｂ）は乗算器１４ａとバンドパスフィルタ１５ａの入出力信号を示す図である。上述した（９）、（１０）式より、バンドパスフィルタ８ａから出力される受信信号７３ａは、（１１）式のように表すことができる。
【００５５】
Ｒ'a(t)＝(1/2)×cos[(ωRF−Ｎωr)ｔ−ＮφBS] …（１１）
基地局１から制御局２側への受信信号７３の伝搬時間をＴとし、t' = ｔ−Tとおく。制御局２側では、基地局１から伝送されてきた受信信号７５（ここでは、アンテナ素子４ａの線路の所望帯域のみを示す）に対して、制御局ＬＯ信号７６ａを乗算する。制御局２側での基準信号８０の位相状態がφCSであれば、制御局ＬＯ信号７６ａは（１２）式で表すことができる。
【００５６】
ＬＯ２a(t)＝cos[(Ｎ＋３)ωrｔ’＋(Ｎ＋３)φCS] …（１２）
制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄの周波数は、受信信号７５ａ〜７５ｄを同一の周波数帯に変換するように選択される。このため、簡単には、制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄの周波数は、順番に、(N+3)ωr、(N+2)ωr、(N+1)ωr、Ｎωrと設定すればよい。
【００５７】
以上より、受信信号７７ａは、（１３）式で表すことができる。
【００５８】
【数８】
（１３）式において、受信信号７２ａから受信信号７７ａへの付加位相項は、−ωIFＴ−ＮφBS−(Ｎ＋３)φCSである。他の受信信号７７ｂ〜７７ｄに対する付加位相項も同様に求められる。各位相項の共通部分である−ωIFＴを省略すると、受信信号７７ｂ〜７７ｄに対する付加位相項は、順に、−(Ｎ＋１)φBS−(Ｎ＋２)φCS、−(Ｎ＋２)φBS−(Ｎ＋１)φCS、−(Ｎ＋３)φBS−ＮφCSとなる。これらの付加位相項が等しいと、各受信信号７１ａ〜７１ｄへの相対位相差は、受信信号７７ａ〜７７ｄにおいても保たれていることになる。そのためには、φCSとφBSが(14)式の関係を満たす必要がある。
【００５９】
φCS＝φBS±２π …（１４）
(14)式の関係を満たすことで、各付加位相項は−(２Ｎ＋３)φBS±２πとなり、受信信号７７ａ〜７７ｄに付加される相対位相差はゼロとなる。
【００６０】
ここで、付加位相項による影響を調べるため、受信信号７１ａ〜７１ｄは、相対位相差がゼロの正弦波信号とする。（１４）式の関係が満たされない場合、受信信号７７ａ〜７７ｄは、図５(a)に示されるように、２回の周波数変換における付加位相項が、各アンテナ素子４ａ〜４ｄの線路間で異なるため、相対位相差の関係が崩れ、波形は重ならない。
【００６１】
一方、（１４）式の関係が満たされている場合には、２回の周波数変換による付加位相項は等しいため、受信信号７１ａ〜７１ｄは相対位相差がゼロの正弦波信号と仮定すると、制御局２における受信信号７７ａ〜７７ｄの波形は図５(b)のようになる。この場合、２回の周波数変換による付加位相項はいずれも等しいため、受信信号７７ａ〜７７ｄの波形はすべて一致する。
【００６２】
このように、第１の実施形態では、基地局１内の複数のアンテナ素子４ａ〜４ｄで受信した受信信号を副搬送波多重して制御局２に送信するため、光伝送系部分の構成要素を最小限に抑えることができ、基地局１の構成を簡略化することができる。また、各受信信号の相対位相差と相対強度を維持したままで、基地局１から制御局２に受信信号を伝送できるため、不要波や干渉波の影響を受けることなく高品質の信号受信が可能になる。
【００６３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、基地局局部発振器６から出力される基準信号と制御局局部発振器１３から出力される基準信号とを共有化するものである。
【００６４】
図６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６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。
【００６５】
図６の無線通信システムにおいて、基地局１から制御局２への受信系の構成は、基地局局部発振器６と制御局局部発振器１３の構成を除いて、第１の実施形態と同様である。
【００６６】
図６の無線通信システムは、制御局２から基地局１への送信系の構成を新たに追加した点と、基地局局部発振器６と制御局局部発振器１３が共通の基準信号を使用して局部発振信号を生成する点とに特徴がある。
【００６７】
新たに追加された基地局１内の送信系は、光−電気変換器３１と、分配器（第２の分波手段）３２と、乗算器（第４の周波数変換手段）３３ａ〜３３ｄと、バンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄと、ローノイズアンプ３５ａ〜３５ｄと、送受信を切り換えるサーキュレータ３６ａ〜３６ｄとを有する。
【００６８】
また、新たに追加された制御局２内の送信系は、変調器（ＭＯＤ）４１と、分配器（第１の分波手段）４２と、重み付け回路（第２の重み付け手段）４３ａ〜４３ｄと、乗算器（第３の周波数変換手段）４４ａ〜４４ｄと、バンドパスフィルタ４５ａ〜４５ｄと、加算器（第２の副搬送波多重信号生成手段）４６と、電気−光変換器（第２の送信手段、基準信号送信手段）４７とを有する。
【００６９】
図７は図６の制御局局部発振器１３の詳細構成を示すブロック図である。図７に示すように、制御局局部発振器１３は、基準信号を出力する基準発振器２０と、分配器２１と、位相比較器２２ａ〜２２ｄと、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２３ａ〜２３ｄと、分周器２４ａ〜２４ｄと、バンドパスフィルタ２５ａ〜２５ｄとを有する。
【００７０】
分配器２１は、基準発振器２０から出力された基準信号を、アンテナ素子の数よりも多く分配する。そして、何の信号処理も施さない基準信号８０を、図６に示される制御局２内の加算器９に入力する。
【００７１】
制御局２から基地局１へ伝達する送信信号８７ａ〜８７ｄについては後で詳述するが、基準信号８０は、送信信号８７ａ〜８７ｄと加算器９で合波されて、副搬送波多重信号８８として基地局１に伝送される。
【００７２】
図８は加算器９で生成される副搬送波多重信号８８の周波数スペクトル図である。副搬送波多重信号８８は、電気―光変換器１０で光信号１５１に変換されて、制御局２から基地局１に光伝送される。
【００７３】
基地局１内の光―電気変換器１１は、制御局２から送信された光信号１５１を受信信号８９に変換する。受信信号８９は、分配器１２に入力されて、アンテナ素子線路と基地局局部発振器６にそれぞれ分配される。
【００７４】
図９は基地局局部発振器６の詳細構成を示すブロック図である。図７の分配器２１からの受信信号８９が図９のバンドパスフィルタ２６を通過することにより、所望の基準信号８０が得られる。基地局局部発振器６は、制御局２から送信された基準信号に基づいて、各アンテナ素子線路に対する基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄを生成する。これにより、制御局局部発振器１３と基地局局部発振器６の基準信号８０を共有化することができる。
【００７５】
次に、第２の実施形態における送信系の動作について説明する。制御局２内の変調器２６からの出力である中間周波信号SIF(t)は、(15)式で表される。
【００７６】
【数９】
（１５）式では、第１の実施形態と同様に、アンテナ素子４ａ〜４ｄから送信される無線信号９１がQPSK(quadriphase-shift keying)等の位相変調信号と仮定し、位相変調項はφm(t)、中間周波数はωIF、信号パワーはＰIFとしている。
【００７７】
図６の変調器１６から出力された中間周波信号８５は、分配器４２でアンテナ素子数分に分波され、それぞれ重み付け回路４３ａ〜４３ｄに入力される。また、ビーム演算回路１６は、受信信号７１ａ〜７１ｄと等しい相対位相差及び相対強度差をもつ受信信号７６ａ〜７６ｄから、相対位相差及び相対強度差を抽出する。
【００７８】
これらの抽出情報より、無線信号７０の到来方向、つまり加入者の位置を検出し、その位置に基づいて無線信号９１の送信方向を決定し、それに対応した重みを演算する。重み付け回路４３ａ〜４３ｄでは、ビーム演算回路１６からの重み制御に従って、中間周波信号８５に、振幅及び位相、または、位相の重みを付加する。重みをＷで表すと、重み付け回路４３ａ〜４３ｄの出力信号８６ａ〜８６ｄは、(16)式のようになる。
【００７９】
【数１０】
（１６）式の重み付け信号８６ａ〜８６ｄは、乗算器４４ａ〜４４ｄにより、（４）式で示される制御局ＬＯ発振器１３からの制御局ＬＯ信号７６ａ〜ｄと乗算される。乗算器４４ａ〜４ｄの出力は、バンドパスフィルタ４５ａ〜４５ｄに入力されて所望の帯域が抽出され、それぞれ異なる周波数に配置された送信信号８７ａ〜８７ｄが得られる。得られた送信信号８７ａ〜８７ｄであるSa"〜Sd"(t)は、(17)式で表される。
【００８０】
【数１１】
送信信号８７ａ〜８７ｄは、制御局局部発振器１３からの基準信号８０と共に、加算器９で合波され、副搬送波多重信号８８が得られる。副搬送波多重信号８８は、電気―光変換器４７において光信号１５１に変換され、光ファイバ３を介して、基地局１に伝送される。
【００８１】
基地局１側では、ＰＤ等の光―電気変換器３１で、光信号を電気信号である受信信号８９に変換する。受信信号８９は、分配器３２により分岐され、アンテナ素子線路と基地局局部発振器６に入力される。
【００８２】
基地局局部発振器６は、前述した通り、制御局２側の基準信号８０を基に、（２）式で示される基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄを生成する。アンテナ素子線路において、受信信号８９は、基地局局部発振器６からの基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄと乗算され、各受信信号を同一の無線周波数帯ωRFに周波数コンバートする。
【００８３】
乗算器３３ａ〜３３ｄの出力は、バンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄに入力されて所望の帯域が抽出される。バンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄの出力は、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄとサーキュレータ３６ａ〜３６ｄを介して、アンテナ素子４ａ〜４ｄに供給される送信信号９０ａ〜９０ｄが得られる。これら送信信号９０ａ〜９０ｄは、(18)式で示される。
【００８４】
【数１２】
ここで、送信信号９０ａ〜９０ｄの周波数及び位相は、第１の実施形態と同様に、（１９）および（２０）式の条件を満たすように設定される。第１の実施形態で説明した受信系における基地局及び制御局局部発振器６、１３の構成及び(14)式の関係を満たすことにより、（２０）式の関係が得られる。
【００８５】
【数１３】
ただし、ｋは定数、ｍ，ｍa〜ｍdは整数である。
【００８６】
上記により、各アンテナ素子４ａ〜４ｄからの送信信号９０ａ〜９０ｄは、(21)式のように表すことができる。
【００８７】
【数１４】
アダプティブ制御の可変指向性アレーアンテナでは、信号に、振幅と位相の重み付けがされていることが重要である。また、位相は相対位相関係が重要であり、固定位相成分ｋが含まれていても問題はない。
【００８８】
送信信号９０ａ〜９０ｄは、制御局２のビーム演算回路１６により振幅及び位相の重み付けがされており、アンテナ素子４ａ〜４ｄからの放射される無線信号９１の放射パターンが制御される。基地局１のアンテナ４ａ〜４ｄから放射される送信信号９０ａ〜９０ｄが、加入者方向に同相で合波されることにより、加入者で受信する無線信号９１は、(22)式のようになる。
【００８９】
【数１５】
ｋ'は伝搬による遅延が含まれた位相定数項であり、Ps'は、伝搬による損失を被った信号のパワーである。
【００９０】
このように、第２の実施形態では、基地局局部発振器６と制御局局部発振器１３の双方で、局部発振信号用の基準信号を共通化するため、構成を簡略化することができるとともに、局部発振信号同士の位相ずれや信号強度のずれをなくすことができる。
【００９１】
また、制御局２から基地局１に送信信号を伝送する際、送信信号の相対位相情報と相対強度情報を原理的に維持したまま、制御局２から送信局１に送信信号を伝送できるため、基地局１にはアクティブな信号処理をする構成要素を配置する必要がなく、基地局１の規模を小型化できるとともに、構成が簡易なために信頼性を向上できる。
【００９２】
（第３の実施形態）
第２の実施形態の送信系は、基地局１の構成を最小限に簡素化するために、送信用の重み付け回路（第２の重み付け手段）４３ａ〜４３ｄを制御局１側に備えている。制御局２側から基地局１側へ伝送される送信信号８７ａ〜８７ｄは、受信系での無線伝搬路を伝搬して雑音やフェージング等の影響を被っている受信信号７１ａ〜７１ｄとは異なり、位相と振幅が互いに異なっているだけである。したがって、重み付け回路４３ａ〜４３ｄの構成を簡略化することができる。
【００９３】
一方、重み付け回路４３ａ〜４３ｄを基地局２側に設けることが可能であれば、中間周波信号８５とビーム演算回路１６からの重み付け制御信号を、制御局２側から基地局１側に伝達し、基地局１側で重み付けを行って、送信信号を生成してもよい。
【００９４】
以下に説明する第３の実施形態は、送信系の重み付け回路１７ａ〜１７ｄを基地局１側に設けたものである。
【００９５】
図１０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。受信系の構成は、第１及び第２の実施形態と同様であり、共通の構成部分については、同一の符号を付している。
【００９６】
図１０の基地局１は、図６の構成に加えて、重み付け回路４３ａ〜４３ｄと、重み制御を行う重み制御回路５１とを有する。また、図１０の制御局２は、図６の構成から重み付け回路４３ａ〜４３ｄを取り除いた構成になっている。
【００９７】
ビーム演算回路１６は、第１の実施形態と同様に、基地局１からの副搬送波多重信号７４に含まれる受信信号７１ａ〜７１ｄの位相及び振幅情報を基に、無線信号７０の到来方向を推定する。その推定結果から、基地局１から加入者に送信する無線信号９１の放射ビームを、基地局１に備えた重み付け回路１７ａ〜１７ｄにより制御する。
【００９８】
ビーム演算回路１６は、基地局１側の重み付け回路１７ａ〜１７ｄの重みを制御するための制御信号９２を出力する。制御局２内の加算器５０は、変調器２６から出力された中間周波信号８５に、重み制御信号９２と、第２の実施形態と同様に基準信号８０とを重畳して、送信信号９３を出力する。
【００９９】
重み制御信号９２は、どのような形態でもよいが、代表的にはデジタル信号、または、デジタル信号を所定の周波数帯に周波数コンバートした信号である。電気―光変換器１０により、送信信号９３を光信号１５２に変換し、光ファイバ３を介して、基地局１側へ光伝送する。
【０１００】
基地局１側では、送信されてきた光信号１５２を光―電気変換器３１により受信信号９４に変換する。受信信号９４は、分配器３２により分岐され、アンテナ素子４ａ〜４ｄへの線路と、重み制御回路５１と、基地局局部発振器６とにそれぞれ入力される。
【０１０１】
重み制御回路５１は、重み制御信号９２に基づいて、重み付け回路４３ａ〜４３ｄを制御して、送信信号８５の振幅及び位相に重みを加え、中間周波の送信信号９５ａ〜９５ｄを出力する。
【０１０２】
送信側局部発振器５３は、正弦波である基地局ＬＯ信号９６を発生させ、分配器１２でアンテナ素子数分に分配し、各乗算器（第４の周波数変換手段）３３ａ〜３３ｄに入力する。図示していないが、基地局ＬＯ信号９６は、必要とあらば、基準信号８０に基づいて基地局ＬＯ信号を生成してもよい。
【０１０３】
乗算器３３ａ〜３３ｄは、重み制御回路３０から出力された中間周波送信信号９５ａ〜９５ｄと基地局ＬＯ信号９６とを乗算し、無線周波数帯に周波数をアップコンバートする。
【０１０４】
乗算器３３ａ〜３３ｄの出力はバンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄに入力されて所望帯域が抽出され、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄとサーキュレータ３６ａ〜３６ｄを介して、送信信号９７ａ〜９７ｄが得られる。送信信号９７ａ〜９７ｄは、アンテナ素子４ａ〜４ｄに入力され、放射パターンを加入者の位置に合わせて変化させる。
【０１０５】
このように、第３の実施形態では、アンテナ素子４ａ〜４ｄへの送信信号を生成する際、基地局１側で各送信信号の重み付けを行うため、制御局２から基地局１へ伝達する送信信号８５は１種類だけでよくなり、制御局１側の構成を簡略化することができる。
【０１０６】
また、基地局ＬＯ信号９６の周波数帯は、各アンテナ素子４ａ〜４ｄで共通であるため、基地局局部発振器３１は単に基準信号を分波するだけでよく、基地局局部発振器３１の構成を簡易化することができる。さらに、アンテナ素子４ａ〜４ｄの近くで重み付けを行うため、重み付けを行った後に伝送経路の伝搬により位相や信号強度が変動するような不具合が起きなくなる。
【０１０７】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、各アンテナ素子からの送信信号あるいは各アンテナ素子の受信信号を副搬送波多重して光伝送するのではなく、スペクトル拡散多重方式により信号伝送を行うものである。
【０１０８】
図１１は本発明に係る無線通信システムの第４の実施形態の構成を示すブロック図である。図１１では、第１〜第３の実施形態と共通する構成部分には同一の符号を付している。
【０１０９】
図１１の基地局１は、図１の基地局１に、アンテナ素子４ａ〜４ｄでの受信信号７１ａ〜７１ｄに対してスペクトル拡散を行う拡散器（第１のスペクトル拡散多重信号生成手段）５６ａ〜５６ｄを新たに追加した構成になっている。
【０１１０】
また、図１１の制御局２は、図１の制御局２内の乗算器１４ａ〜１４ｄとバンドパスフィルタ１５ａ〜１５ｄの代わりに、スペクトル逆拡散を行う逆拡散器（逆拡散手段）５７ａ〜５７ｄを設けた構成になっている。
【０１１１】
次に、図１１の無線通信システムの動作を説明する。基地局１は、不図示の加入者からの無線信号７０をアレーアンテナ４ａ〜４ｄで受信する。各アンテナ素子４ａ〜４ｄで受信した受信信号７１ａ〜７１ｄは、第１の実施形態と同様に(1)式で示される。
【０１１２】
各受信信号７１ａ〜７１ｄは、無線信号７０の到来方向に応じて、位相及び振幅が異なっている。ローノイズアンプ５ａ〜５ｄを通過した受信信号７１ａ〜７１ｄは、乗算器７ａ〜７ｄにて、基地局局部発振器３４から出力されて分波された基地局ＬＯ信号９８と乗算され、周波数ダウンコンバートされる。
【０１１３】
周波数ダウンコンバートされた受信信号９９ａ〜９９ｄは、拡散器５６ａ〜５６ｄでスペクトル拡散される。拡散器５６ａ〜５６ｄは、各アンテナ素子線路毎に異なる拡散符号が割り当てられている。拡散符号には、好ましくは、Walsh符号等の直交符号が良い。拡散器５６ａ〜５６ｄの出力であるスペクトル拡散信号９９ａ〜９９ｄは、加算器９により多重化されて、スペクトル拡散多重信号１００が得られる。
【０１１４】
図１２（ａ）は受信信号９９の周波数スペクトル図、図１２（ｂ）はスペクトル拡散信号１００の周波数スペクトル図、図１２（ｃ）はスペクトル拡散多重信号１０１の周波数スペクトル図である。スペクトル拡散多重信号１０１は、電気−光変換器１０にて光信号１５３に変換されて、光ファイバ３を介して制御局２へ伝送される。
【０１１５】
制御局２の光−電気変換器１１は、光信号１５３を電気信号１０２に変換する。電気信号１０２は、分配器１２によりアンテナ素子数分に分配されて、それぞれ逆拡散器３３ａ〜３３ｄに入力される。逆拡散器３３ａ〜３３ｄは、各アンテナ素子線路毎に割り当てた基地局１側と同一の拡散符号で、スペクトル逆拡散の信号処理を施す。逆拡散器３３ａ〜３３ｄの出力である受信信号１０３ａ〜１０３ｄは、基地局１における受信信号７１ａ〜７１ｄの相対位相情報φa〜φdと相対強度情報Pa〜Pdを維持している。
【０１１６】
逆拡散器３３ａ〜３３ｄの出力信号１０３ａ〜１０３ｄの一部は、ビーム演算回路１６に入力されて、相対位相φa〜φdと相対強度Ｐa〜Ｐdの情報が与えられる。すなわち、ビーム演算回路１６は、相対位相情報φa〜φdと相対強度情報Ｐa〜Ｐdに基づいて、基地局１における無線信号７０の到来方向を計算する。
【０１１７】
また、逆拡散器３３ａ〜３３ｄの出力信号１０３ａ〜１０３ｄは重み付け回路１７ａ〜１７ｄに入力され、ビーム演算回路１６からの重み制御信号により、位相および振幅が重み付けされた後、合波器１８で合波されて受信信号７８となる。
【０１１８】
ビーム演算回路１６は、合成器１８から出力される受信信号７８に対して、不要波や干渉波を抑圧して、ＳＩＲ (Signal-to-Interference Ratio)が最適となるように、重み付け回路１７ａ〜１７ｄの重み付け制御を行う。受信信号７８は、復調器１９に入力されて、加入者からの情報が取り出される。
【０１１９】
図１３（ａ）は拡散器５６の詳細構成を示すブロック図、図１３（ｂ）は逆拡散器５７の詳細構成を示すブロック図である。図示のように、拡散器５６と逆拡散器５７は、ほぼ同様に構成されており、入力信号と拡散符号との乗算を行う。
【０１２０】
拡散器５６は、バンドパスフィルタ８ａ〜８ｄを通過した受信信号と拡散符号発生器５８からの拡散符号１０４とを乗算する乗算器５９と、乗算器５９の出力から所望帯域の信号を抽出するバンドパスフィルタ６０とを有する。バンドパスフィルタ６０で抽出された信号がスペクトル拡散信号１００になる。
【０１２１】
一方、逆拡散器５７は、拡散符号１０４と同一の逆拡散符号１０５と分配器１２の出力である受信信号１０２とを乗算する乗算器６２と、乗算器６２の出力から所望帯域を抽出するバンドパスフィルタ６３とを有する。乗算器６３の乗算により、受信信号１０２はスペクトル逆拡散される。
【０１２２】
拡散符号１０４と逆拡散符号１０５に用いられる符号が、アンテナ線路毎に直交性を保ち、拡散と逆拡散の符号同期を適正に保てば、他の拡散符号でスペクトル拡散された信号の出力はゼロとなり、バンドパスフィルタ６３からは所望の信号のみが出力される。
【０１２３】
以上のように、全てのアンテナ素子４ａ〜４ｄの線路は、同一の周波数帯で伝送されるため、遅延量は等しく相対位相差は保たれる。相対強度差も保たれるため、制御局２側では、無線信号７０の到来方向を正確に推定することができる。
【０１２４】
また、図１１のようなスペクトル拡散多重方式の場合、副搬送波多重と異なり、基地局１には、アンテナの素子数に応じた局部発振器を設ける必要がなく、一種類の局部発振器だけを設けるだけでよい。
【０１２５】
その一方で、異なる拡散符号がアンテナ素子数分必要となるが、拡散符号は固定パターンであり、メモリーなどに記憶されておけばよい。このため、基地局全体の構成を小型化することができる。
【０１２６】
全てのアンテナ素子４ａ〜４ｄに対して、スペクトル拡散による多重効率を高めるためには、受信信号７１ａ〜７１ｄの強度差が大きくないことが望まれる。移動通信ではそのような条件を得ることが難しいが、WLL (Wireless Local Loop)等のように高速無線通信においては条件を満たしやすい。ＷＬＬでは、加入者と基地局１は直接波を送受信できるように配置されるため、直接波が見通せて、各アンテナ素子４ａ〜４ｄで受信する受信信号７１ａ〜７１ｄは、ほとんど等しいパワーとなる。このため、スペクトル拡散信号のパワーも等しく、全てのアンテナ素子線路に対する拡散多重効率を高く保つことができる。
【０１２７】
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、第４の実施形態に送信系を追加し、追加した送信系にもスペクトル拡散多重方式を適用するものである。
【０１２８】
図１４は本発明に係る無線通信システムの第５の実施形態のブロック図である。図１４では、図１１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。
【０１２９】
図１４の基地局１内には、送信系の構成として、光−電気変換器３１と、分配器３２と、逆拡散器６４ａ〜６４ｄと、乗算器（第２の周波数変換手段）３３ａ〜３３ｄと、局部発振器５４と、分波器５３と、バンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄと、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄと、サーキュレータ３６ａ〜３６ｄとが設けられている。
【０１３０】
また、図１４の制御局２内には、送信系の構成として、変調器４１と、分配器４２と、重み付け回路（第２の重み付け手段）４３ａ〜４３ｄと、拡散器６５ａ〜６５ｄと、加算器（加算手段）５０と、電気−光変換器４７とが設けられている。
【０１３１】
ビーム演算回路１６は、基地局１の受信信号７１ａ〜７１ｄに対応するスペクトル逆拡散信号１０３ａ〜１０３ｄの相対位相差および相対強度差から、基地局１から加入者への無線信号９１の放射パターンを求める。
【０１３２】
送信系側の重み付け回路１７ａ〜１７ｄは、アンテナ素子数に分配された中間周波信号８５の位相及び強度に重みを付加して、放射パターンを制御する。重みが付加された送信信号８６ａ〜８６ｄは、拡散器６５ａ〜６５ｄによりスペクトル拡散された後、加算器４６で多重化され、スペクトル拡散多重信号１０８が得られる。
【０１３３】
スペクトル拡散多重信号１０８は、電気―光変換器１０において光信号１５４に変換され、光ファイバ３を介して、基地局１に伝送される。基地局１側では、ＰＤ等の光―電気変換器１１で、光信号１５４を電気信号である受信信号１０９に変換する。
【０１３４】
受信信号１０９は、分配器３２により分岐され、それぞれの逆拡散器６４ａ〜６４ｄに入力される。逆拡散器６４ａ〜６４ｄは、拡散器６５ａ〜６５ｄで使用した拡散符号と同一の逆拡散符号を用いてスペクトル逆拡散を行う。乗算器３３ａ〜３３ｄは、基地局局部発振器５４からの基地局ＬＯ信号９８に基づいて、スペクトル逆拡散を行った信号を無線帯域の周波数にアップコンバートする。
【０１３５】
乗算器３３ａ〜３３ｄの出力は、バンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄに入力されて、所望帯域が抽出される。その後、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄとサーキュレータ３６ａ〜３６ｄを介して、各アンテナ素子に供給される送信信号１０７ａ〜１０７ｄが得られる。送信信号１０７ａ〜１０７ｄは、制御局２のビーム演算回路１６により振幅及び位相に重み付けされているため、アンテナ素子４ａ〜４ｄからの放射される無線信号９１の放射パターンが制御されることになる。
【０１３６】
このように、第５の実施形態では、アンテナ素子４ａ〜４ｄに送信信号を伝送する際にも、スペクトル拡散多重方式にて信号伝送を行うため、制御局および基地局側の送信系の構成を簡略化することができる。
【０１３７】
（第６の実施形態）
第６の実施形態は、第３の実施形態と同様に、送信系の重み付け回路１７ａ〜１７ｄを、基地局１側に設けたものである。
【０１３８】
図１５は本発明に係る無線通信システムの第６の実施形態のブロック図である。第６の実施形態の受信系の構成は第４および第５の実施形態と同一であり、同一符号を付している。
【０１３９】
図１５の基地局１は、図１４の構成に加えて、重み付け回路４３ａ〜４３ｄと、重み制御を行う重み制御回路５１とを有する。また、図１５の制御局２は、図１４の構成から重み付け回路４３ａ〜４３ｄを取り除いた構成になっている。
【０１４０】
ビーム演算回路１６は、第４の実施形態と同様に、基地局１からのスペクトル拡散多重信号７４に含まれている受信信号７１ａ〜７１ｄの位相及び振幅情報を基に、無線信号７０の到来方向を推定する。その推定結果から、基地局１から加入者へ送信する無線信号９１の放射ビームを、基地局１に備えた重み付け回路１７ａ〜１７ｄにより制御する。ビーム演算回路１６は、基地局１側の重み付け回路１７ａ〜１７ｄの重みを制御するための制御信号９２を出力する。
【０１４１】
加算器９は、変調器４１から出力された中間周波信号８５に重み制御信号９２を重畳して、送信信号９３を生成する。重み制御信号９２は、どのような形態でもよいが、代表的にはデジタル信号、または、デジタル信号を所定の周波数帯に周波数コンバートした信号である。
【０１４２】
電気―光変換器１０は、送信信号９３を光信号１５２に変換し、光ファイバ３を介して、基地局１側へ光伝送する。基地局１側では、送信されてきた光信号１５２を光―電気変換器１１により受信信号９４に変換する。受信信号９４は、分配器１２により分岐され、それぞれアンテナ素子４ａ〜４ｄへの線路、重み制御回路３０に入力される。
【０１４３】
重み制御回路３０は、重み制御信号９２を基に、重み付け回路１７ａ〜１７ｄを制御して、送信信号８５の振幅及び位相に重みを加え、中間周波の送信信号９５ａ〜９５ｄを生成する。送信側局部発振器５４は、正弦波である基地局ＬＯ信号９８を発生させ、分配器１２でアンテナ素子数分に分配し、各乗算器３３ａ〜３３ｄに入力する。
【０１４４】
乗算器３３ａ〜３３ｄは、中間周波送信信号９５ａ〜９５ｄと基地局ＬＯ信号９８とを乗算して、周波数をコンバートする。乗算器３３ａ〜３３ｄの出力はバンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄに入力されて所望帯域が抽出され、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄとサーキュレータ３６ａ〜３６ｄを介して、送信信号９７ａ〜９７ｄを得る。送信信号９７ａ〜９７ｄは、アンテナ素子４ａ〜４ｄに入力されて、下り無線信号９１の放射パターンを加入者の位置に合わせて変化させる。
【０１４５】
（第７の実施形態）
上述した第１〜第６の実施形態では、（７）式や（２０）式の位相条件に対して、（１４）式の位相条件を満たすことを前提としたが、（１４）式の条件を満たす以外にも、付加位相差をゼロにすることは可能である。
【０１４６】
例えば、各アンテナ素子と重み付け回路の間の線路のどこかに、あるいは制御局や基地局の局部発振器と乗算器との間のどこかに移相器を挿入し、挿入した移相器により、送信信号や受信信号に位相オフセットを与え、アンテナ素子線路間の相対位相差を維持してもよい。
【０１４７】
図１６は本発明に係る無線通信システムの第７の実施形態のブロック図であり、各アンテナ素子４ａ〜４ｄのそれぞれごとに移相器（位相補償手段）６６ａ〜６６ｄを有する例を示している。図１６の制御局２は、バンドパスフィルタ１５ａ〜１５ｄと重み付け回路１７ａ〜１７ｄとの間に移相器６６ａ〜６６ｄを設けた点を除いて、図１と同様に構成されている。
【０１４８】
図１６の移相器６６ａ〜６６ｄを設けることにより、各アンテナ素子４ａ〜４ｄの伝搬線路の遅延量を補償することができ、各アンテナ素子４ａ〜４ｄで受信された相対位相差を維持したまま、基地局１から制御局２に信号を伝送することができる。
【０１４９】
なお、図１６のような移相器６６ａ〜６６ｄを設ける代わりに、各アンテナ素子４ａ〜４ｄの線路間の遅延差及び位相差をオフセットとして、重み付け回路１７ａ〜１７ｄでの位相重みに付加しても良い。
【０１５０】
実際の無線通信システムでは、アンプ、フィルタ、乗算器等のマイクロコンポーネントに個体差による遅延及び位相差が付加されることになる。それらの遅延差及び位相差も、前述のように位相オフセットとして、移相器６６ａ〜６６ｄへの補償量、あるいは重み付け回路１７ａ〜１７ｄにおける位相重み量に取り入れると、より高い信頼性をもつ無線通信システムを提供することが可能となる。
【０１５１】
無線信号、中間周波信号、ＬＯ信号の周波数の関係では、第１の実施形態では(6)式、第２の実施形態では(19)式としたが、例えば、（６）式の代わりに（６ａ）式とし、（１９）式の代わりに（１９ａ）式としてもよい。
【０１５２】
【数１６】
すなわち、無線信号、中間周波信号、ＬＯ信号の周波数のプラス、マイナスの符号は、いずれかを選択することができる。
【０１５３】
（その他の実施形態）
上述した第２および第３の実施形態においては、アンテナ４ａ〜４ｄにおける送信信号、受信信号の周波数変換に対して、同一の基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄと制御局ＬＯ信号７６ａ〜ｄを使用する例を説明した。しかし、送信系あるいは受信系の周波数変換用として、異なるＬＯ信号を出力する局部発振器を制御局２及び基地局１に備えてもよい。
【０１５４】
上述した各実施形態では、中間周波無線信号に対して重み付けを行っているが、局部発振器６，１３の出力であるＬＯ信号に対して、重み付けを行ってもよい。但し、ＬＯ信号において重み付けを行う場合、第１〜第３の実施形態の副搬送波多重光伝送においては、ＬＯ信号の周波数がそれぞれアンテナ素子線路毎に異なるため、ＬＯ信号の周波数おける位相に換算して、重み付けを行うのが望ましい。また、第３及び第６の実施形態においては、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄの前段部分やローノイズアンプ５ａ〜５ｄの後段等の無線周波帯の送信信号や受信信号に対して重み付けを行ってもよい。
【０１５５】
上述した各実施形態では、位相及び振幅を制御する重み付け回路は、周波数変換された無線信号に対するアナログ信号処理として説明したが、デジタル信号処理で行っても良い。
【０１５６】
すなわち、受信系においては、受信信号をアナログーデジタル変換して、デジタル信号として重み付け回路に入力する。また送信系においては、デジタル信号処理である重み付け回路の出力をデジタルーアナログ変換して、アナログ信号として基地局側へ伝達する構成でも良い。
【０１５７】
アダプティブアンテナの信号合成方法は多岐にわたる。本実施形態では、信号合成した後に復調する方式を述べたが、例えば、遅延検波をしてから信号合成をするなど、他の方式で信号合成を行ってもよい。
【０１５８】
また、本実施形態では、伝送路を光ファイバとして説明を行った。しかしながら、伝送距離が長くない場合には、同軸ケーブルであってもよい。この場合には、電気−光変換器および光−電気変換器は不要になる。
【０１５９】
また、制御局２及び基地局１における電気―光変換器の電気―光変換方法には、レーザを直接変調する方法と外部光変調器を用いて変調する方法がある。アダプティブアンテナの適用が期待されているＩＴＳやＷＬＬで使用されるωRFは、5.8GHz及び22GHz等の高周波帯である。
【０１６０】
半導体レーザで直接変調できる帯域は、せいぜい数GHzであるため、高周波帯を直接変換する方法としては、外部光変調器を使用することになる。しかし、ＩＣ化等により回路要素増加に対しても小型化できる電気回路とは異なり、光回路は小型化することができない。そのため、外部光変調器の使用は、コンポーネントスペースが必要となり構成が複雑になるばかりか、高価である。本実施形態では、中間周波の無線信号を副搬送波多重して光伝送する構成であり、レーザ直接変調方式が採用でき、光送信器の構成を簡易化及び低コスト化することが可能である。
【０１６１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、複数のアンテナ素子で受信した信号を副搬送波多重信号またはスペクトル拡散多重信号に変換して、基地局から制御局に伝送するようにしたため、基地局と制御局間の信号伝送系の構成を簡略化することができる。
【０１６２】
例えば、基地局と制御局間で光ファイバを用いて信号伝送を行う場合は、送信系と受信系でそれぞれ１本の光ファイバで信号伝送を行えるため、光ファイバの数を削減できるとともに、電気−光変換器における光源の波長制御回路、光伝送部の光合成器、および光分波器も不要となる。
【０１６３】
したがって、各アンテナ素子に対して一対の電気−光変換器と光−電気変換器を必要とする従来の無線通信システムに比べて、光伝送部分の構成要素を減らすことができ、かつ、基地局の構成を大幅に簡略化および小型化することができる。また、電気系部分に比べてコストの高い光伝送系部品の数を減らすことにより、基地局のコスト低減が図れる。
【０１６４】
さらに、本発明によれば、基地局に備えたアンテナ素子での受信信号の相対位相差を、制御局側まで原理的に保つことができる。よって、制御局側のビーム演算回路から、この相対位相差情報を基に、基地局のアレーアンテナのビーム放射パターンを制御できる。つまり、基地局側には、ビーム演算回路及び制御回路を備える必要はなく、パッシブな要素の構成で、かつ小型化が可能である。このような利点を備えた基地局を数多く広いエリアに配置させても、信頼性および安定性の高い無線通信システムを提供することができる。
【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の実施形態の概略構成を示すブロック図。
【図２】基地局局部発振器の構成を示すブロック図。
【図３】基地局ＬＯ信号の波形図。
【図４】（ａ）は乗算器７ａとバンドパスフィルタ８ａの入出力信号を示す図、（ｂ）は乗算器１４ａとバンドパスフィルタ１５ａの入出力信号を示す図。
【図５】（ａ）は付加位相差がある場合の波形図、（ｂ）は付加位相差がない場合の波形図。
【図６】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７】図６の制御局局部発振器１３の詳細構成を示すブロック図。
【図８】加算器９で生成される副搬送波多重信号８８の周波数スペクトル図。
【図９】基地局局部発振器６の詳細構成を示すブロック図。
【図１０】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１１】本発明に係る無線通信システムの第４の実施形態の構成を示すブロック図。
【図１２】（ａ）は受信信号９９の周波数スペクトル図、（ｂ）はスペクトル拡散信号の周波数スペクトル図、（ｃ）はスペクトル拡散多重信号の周波数スペクトル図。
【図１３】（ａ）は拡散器の詳細構成を示すブロック図、（ｂ）は逆拡散器の詳細構成を示すブロック図。
【図１４】本発明に係る無線通信システムの第５の実施形態のブロック図。
【図１５】本発明に係る無線通信システムの第６の実施形態のブロック図。
【図１６】本発明に係る無線通信システムの第７の実施形態のブロック図。
【図１７】波長多重伝送を行う従来の無線通信システムのブロック図。
【図１８】各アンテナ素子ごとに光ファイバを割り当てた従来の無線通信システムのブロック図。
【符号の説明】
１ 基地局
２ 制御局
３ 光ファイバ
４ａ〜４ｄ アンテナ素子
５ａ〜５ｄ ローノイズアンプ
６ 基地局局部発振器
７ａ〜７ｄ 乗算器
８ａ〜８ｄ バンドパスフィルタ
９ 加算器
１０，４７ 電気−光変換器
１１，３１ 光−電気変換器
１２，３２，４２ 分配器
１３ 制御局局部発振器
１４ａ〜１４ｄ 乗算器
１５ａ〜１５ｄ バンドパスフィルタ
１６ ビーム演算回路
１７ａ〜１７ｄ 重み付け回路
１８ 加算器
１９ 復調器
２０ 基準発振器
２１ 分配器
２２ａ〜２２ｄ 位相比較器
２３ａ〜２３ｄ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）
２４ａ〜２４ｄ 分周器
２５ａ〜２５ｄ ループフィルタ
３３ａ〜３３ｄ 乗算器
３４ａ〜３４ｄ バンドパスフィルタ
３５ａ〜３５ｄ パワーアンプ
３６ａ〜３６ｄ サーキュレータ
４３ａ〜４３ｄ 重み付け回路
４４ａ〜４４ｄ 乗算器
４５ａ〜４５ｄ バンドパスフィルタ
４６ 加算器
５０ 波長制御器
５１ 光合成器
５２ 光分波器
５４ 基地局局部発振器
５５ 分配器
５６ａ〜５６ｄ，６５ａ〜６５ｄ 拡散器
５７ａ〜５７ｄ，６４ａ〜６４ｄ 逆拡散器
５８，６１ 拡散符号発生器
５９ 乗算器
６０，６３ バンドパスフィルタ
６２ 乗算器
６６ａ〜６６ｄ 移相器
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変指向性アンテナを備えた基地局と、基地局に光ファイバで接続された制御局とで構成され、可変指向性アンテナを制御局側で制御する機能を備える無線通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やＩＴＳ (Intelligent Transport Systems)に代表される移動通信の基地局と制御局とを光ファイバで接続して信号伝送を行うRadio on Fiber (ROF)技術が注目されている。ROF技術は、基地局から制御局に光ファイバを介して無線信号を伝送させ、変復調器及び制御器等を制御局に一括収容して、基地局の構成を簡略化して小型化するものである。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可能となる。
【０００３】
また、基地局での周波数帯域の逼迫、あるいは干渉波等の問題を解決すべく、指向性を可変できるアダプティブアンテナが注目されている。アダプティブアンテナは、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備えたものであり、各アンテナ素子から送信する送信信号によってアンテナの指向性を変化させることができる。
【０００４】
制御局内のビーム演算回路は、基地局から加入者への無線信号の放射パターンと、加入者から基地局への無線信号の放射パターンとを導出し、加入者の移動及び位置に合わせて、適応的にアダプティブアンテナの指向性を変える。
【０００５】
この種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に関する報告が幾つか発表されている（例えば、特開平10-145286）。
【０００６】
図１７および図１８はＲＯＦ技術を利用した無線通信システムの概略構成を示すブロック図である。無線通信システムとしての送受信機能を考慮に入れた場合、最も重要なことは、各アンテナ素子毎に受信した無線信号を、基地局から制御局に相対位相差、相対強度差を維持した状態で伝達することである。
【０００７】
このため、従来のシステムは、各アンテナ素子の送受信信号をそれぞれ光信号に変換し、基地局と制御局間で、波長多重して、あるいは、各アンテナ素子に一本の光ファイバを割り当てて、伝送していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＲＯＦ技術を利用した従来のシステムの場合、図１７および図１８に示すように、各アンテナ素子線路に、電気―光変換器と光―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、アンテナ素子数分の光送受信器対が必要となる。
【０００９】
このため、基地局及び制御局の光伝送部分の構成要素が大幅に増加し、構成が複雑化して大規模の装置になる。また、波長多重伝送を行う場合は、光合波器、光分波器、光源の波長制御機能等の構成がさらに必要となる。
【００１０】
一方、各アンテナ素子ごとに光ファイバを設けるようにすると、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え、それに伴って、光−電気変換器や電気−光変換器などの光伝送系の構成が複雑かつ大規模になる。
【００１１】
このように、アダプティブアンテナを備えてＲＯＦ技術を利用して信号伝送を行う従来の無線通信システムは、光伝送系の構成要素が多いために構成が複雑になるという問題があり、基地局及び制御局の小型化が困難で、コストも下げられない。
【００１２】
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、基地局あるいは制御局の構成を簡略化することができる無線通信システムを提供することにある。
【００１３】
【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、本発明は、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り前記無線通信端末の位置に応じて指向性を変更可能な可変指向性アンテナと、前記複数のアンテナ素子を介して、前記無線通信端末から受信した受信信号をそれぞれ異なる帯域に周波数変換する第１の周波数変換手段と、前記第１の周波数変換手段により周波数変換された複数の信号を合波して第１の副搬送波多重信号を生成する第１の副搬送波多重信号生成手段と、前記第１の副搬送波多重信号を前記有線伝送路を介して前記制御局に送信する第１の送信手段と、前記第１の周波数変換手段に周波数変換の基準となる第１の基準信号を供給する第１の局部発振器と、を有し、前記制御局は、前記有線伝送路を介して前記基地局から送信された前記第１の副搬送波多重信号を前記複数のアンテナ素子ごとに分波して、同一の周波数帯の信号に周波数変換する第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に基づいて、前記複数のアンテナ素子の指向性を制御するための重み係数を求めるビーム演算手段と、前記重み係数に基づいて、前記第２の周波数変換手段により周波数変換された複数の信号に対して重み付けを行う第１の重み付け手段と、前記第１の重み付け手段で重み付けされた各信号を合波して受信信号を生成する受信信号生成手段と、前記第２の周波数変換手段に周波数変換の基準となる第２の基準信号を供給する第２の局部発振器と、を有し、前記第２の局部発振器は、前記第２の周波数変換手段が前記複数のアンテナ素子の各受信信号間の相対位相差を維持した信号を出力するように、前記第１の基準信号と所定の位相関係にある前記第２の基準信号を出力する。
【００１４】
本発明では、発明では、複数のアンテナ素子で受信した信号を副搬送波多重して制御局に送信するため、基地局と制御局との光伝送系の構成を簡略化することができる。また、制御局内の局部発振信号の位相を調整するため、複数のアンテナ素子で受信した各受信信号の相対位相差を維持したまま、基地局から制御局に受信信号を伝送することができる。
【００１５】
発明では、周波数変換用の基準信号を基地局と制御局とで共有するため、構成を簡略化することができる。
【００１６】
本発明では、基地局または制御局のいずれか一方で生成した基準信号を、副搬送波多重信号に重畳して他方に送信するため、周波数変換用の基準信号を基地局と制御局とで共有できるとともに、光伝送系の構成を簡略化することができる。
【００２３】
本発明では、基地局と制御局の少なくとも一方に位相補償回路を設けるため、基地局および制御局間の信号伝搬路と、基地局および制御局内の信号処理とにより発生される位相変動量を相殺できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る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。なお、以下の実施形態では、原理的な位相状態および信号強度状態を示すため、各アンテナ素子線路に挿入されているアンプ、乗算器、フィルタ等のマイクロ波部品の固体差によるゲイン、損失、透過率、群速度のバラツキ及び線路長による遅延差は無視している。
【００２５】
（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の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図１の無線通信システムは、基地局１と制御局２とで構成され、それぞれは光ファイバ３で接続されている。
【００２６】
基地局１は、４つのアンテナ素子からなるアレーアンテナ４ａ〜４ｄと、ローノイズアンプ５ａ〜５ｄと、基地局局部発振器（第１の局部発振器）６と、乗算器（第１の周波数変換手段）７ａ〜７ｄと、バンドパスフィルタ８ａ〜８ｄと、加算器（第１の副搬送波多重信号生成手段）９と、電気―光変換器（Ｅ／Ｏ変換器：第１の送信手段）１０とを有する。
【００２７】
制御局２は、光−電気変換器（Ｏ／Ｅ変換器）１１と、分配器１２と、制御局局部発振器（第２の局部発振器）１３と、乗算器（第２の周波数変換手段）１４ａ〜１４ｄと、バンドパスフィルタ１５ａ〜１５ｄと、ビーム演算回路（ビーム演算手段）１６と、重み付け回路（第１の重み付け手段）１７ａ〜１７ｄと、加算器（受信信号生成手段）１８と、復調器１９とを有する。
【００２８】
基地局１は、図示されていない加入者からの無線信号７０をアレーアンテナ４ａ〜４ｄで受信する。本実施形態では、アレーアンテナ４の素子数が４つ（図１では、各素子を４ａ〜４ｄで図示）の場合について説明するが、素子数は幾つでもよい。各アレーアンテナ４ａ〜４ｄで受信した受信信号７１ａ〜７１ｄは、(1)式で表される。
【００２９】
【数１】
【００３０】
受信信号７１ａ〜７１ｄは、ローノイズアンプ５ａ〜５ｄを介して、乗算器７ａ〜７ｄに入力される。乗算器７ａ〜７ｄは、ローノイズアンプ５ａ〜５ｄを通過した信号と基地局局部発振器６から出力される基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄとを乗算して、周波数をダウンコンバートする。基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄは、（２）式で表される。
【００３１】
【数２】
【００３２】
乗算器７ａ〜７ｄの出力は、バンドパスフィルタ８ａ〜８ｄに入力されて、それぞれ所望の帯域の受信信号７３ａ〜７３ｄが抽出される。受信信号７３ａ〜ｄは（３）式で表される。
【００３３】
【数３】
【００３４】
光ファイバ３を介して制御局２に伝送された光信号は、ＰＤ(Photo Detector)等の光−電気変換器１１で受信信号７５に変換される。受信信号７５は、分配器１２によりアンテナ素子分に分配された後、乗算器１４ａ〜１４ｄに入力される。
【００３５】
乗算器１４ａ〜１４ｄは、分配器１２の出力信号と制御局局部発振器１３から出力された基地局ＬＯ信号７６ａ〜ｄとを乗算して、周波数変換を行う。制御局ＬＯ信号７６ａ〜ｄは、（４）式で示すように、パワーが等しくて、周波数がそれぞれ異なる信号であり、この信号との乗算を行うことにより、副搬送波多重された受信信号７５の周波数は、制御局２内で周波数変換前の周波数に変換される。
【００３６】
【数４】
【００３７】
【数５】
【００３８】
【数６】
【００３９】
【数７】
【００４０】
ビーム演算回路１６は、受信信号７７ａ〜７７ｄに基づいて、最適合成等の信号処理を制御するための演算を行う。対象となる無線通信システムが、無線信号７０の到来方向を求める必要がなければ、ビーム演算回路１６は最適合成のみを行えばよい。その場合は、（７）式の条件を必ずしも満たす必要はない。
【００４１】
本実施形態におけるビーム演算回路１６は、受信信号７７ａ〜７７ｄの一部を取り込んで、最適な信号合成を行うための位相及び強度の重みを求める。次に、これらの演算結果を基に、重み付け回路１７ａ〜１７ｄを制御して、受信信号７７ａ〜７７ｄに位相及び信号強度の重みを付加して、合波器１８で各信号を合波して受信信号７８を得る。受信信号７８は、復調器１９に入力されて、加入者からの情報が取り出される。
【００４２】
ビーム演算回路１６は、上記の信号処理以外にも、相対位相差φa〜φdと相対強度差Ｐa〜Ｐdに基づいて、遅延波に対する最適合波制御や、受信信号の不要波及び干渉波を抑圧してＳＩＲ (Signal-to-Interference Ratio)最適合波を行うことが可能である。また、無線信号７０の到来方向等を演算により求めることも可能である。
【００４３】
本実施形態では、基地局１から加入者への送信系は図示していないが、制御局２における無線信号７０の到来方向の推定は、基地局１から加入者への無線信号をどの方向に送信するかを決定するために重要であり、ビーム演算回路１６の演算結果を送信系に適用することが可能である。
【００４４】
原理的には、基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄと制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄの各信号強度が一定であれば、受信信号７１ａ〜７１ｄの相対強度差を保持したまま、制御局２側に伝送でき、同様に、制御局２から基地局１に信号を伝送することも可能である。以下では、相対強度差には言及せず、相対位相差に注目して説明を行う。
【００４５】
各アンテナ素子４ａ〜４ｄの受信信号７１ａ〜７１ｄは、基地局１から制御局２まで、異なる搬送波周波数で伝送される。搬送波周波数が異なると、伝搬時間に応じて、各アンテナ素子線路間の相対位相差が変化していく。このため、基地局１内と制御局２内での計２回の周波数変換で使用される基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄと制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄの位相項の関係を考慮する必要がある。
【００４６】
図２は基地局局部発振器６の構成を示すブロック図である。図示のように、基地局局部発振器６は、基準発振器２０、分配器２１と、位相比較器２２ａ〜２２ｄと、電圧制御型発振器(VCO:Voltage Control Oscillator)２３ａ〜２３ｄと、分周器２４ａ〜２４ｄと、ループフィルタ２５ａ〜２５ｄとを有する。
【００４７】
基準発振器２０には、例えば水晶等の高安定な発振器が用いられる。基準発振器２０の出力信号８０の発振周波数をfrとする。出力信号８０は、分配器２１でアンテナ素子の本数に分割され、それぞれの位相比較器２２ａ〜２２ｄに入力される。
【００４８】
位相比較器２２ａ〜２２ｄには、ＶＣＯ２３ａ〜２３ｄからの出力信号７２ａ〜７２ｄを、分周器２４ａ〜２４ｄにより、例えばＮ、(Ｎ＋１)、…、(Ｎ＋３)分周した信号８１が入力される。位相比較器２２ａ〜２２ｄは、２つの入力信号８０、８１の位相を比較し、位相比較信号８２を出力する。位相比較信号８２は、ループフィルタ２５ａ〜２５ｄを介してＶＣＯ２３ａ〜２３ｄにフィードバックされる。このフィードバックにより、ＶＣＯ２３ａ〜２３ｄの出力である基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄの周波数は、それぞれ順に、N×fr、(N+1)×fr、(N+2)×fr、(N+3)×frにロックされる。
【００４９】
図３は基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄの波形図である。実際に出力される発振信号７２ａ〜７２ｄは正弦波であるが、ここでは、立ち上がり、立ち下がりの位相状態がわかりやすいように矩形波で示し、立ち上がりの位相はゼロ度、立ち下がりの位相はπ度としている。
【００５０】
図３では、基準発振器出力信号８０と分周信号８１との位相差が０度になるように、位相比較器２１が位相比較信号８２を出力した場合の基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄの波形を示しており、基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄは、図３に図示された式で表される。
【００５１】
制御局２側における制御局局部発振器１３も、基地局局部発振器６と同様に構成され、制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄを生成する。制御局局部発振器１３における基準信号８０の発振周波数は、基地局１側と同じfrである。そして、制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄの周波数は、受信信号７７ａ〜７７ｄの周波数を一致させるように、順に(N+3)×fr、(N+2)×fr、(N+1)×fr、N×frにロックさせる。
【００５２】
ここで、基地局１側での基準信号８０の位相状態をφBS、制御局２側での基準信号８０の位相状態をφCSとする。受信信号７１から受信信号７７への位相変化量を示すため、(1)式で表されている受信信号７１ａを（９）式のように書き直す。
【００５３】
Ｒa(t)＝cos[ωRFｔ] …（９）
また、基準信号８０の位相状態がφBSであるとき、(2)式の基地局ＬＯ信号７２ａは、以下のように書き直すことができる。
【００５４】
ＬＯ１a(t)＝cos[Ｎωrｔ＋ＮφBS] …（１０）
図４（ａ）は乗算器７ａとバンドパスフィルタ８ａの入出力信号を示す図、図４（ｂ）は乗算器１４ａとバンドパスフィルタ１５ａの入出力信号を示す図である。上述した（９）、（１０）式より、バンドパスフィルタ８ａから出力される受信信号７３ａは、（１１）式のように表すことができる。
【００５５】
Ｒ'a(t)＝(1/2)×cos[(ωRF−Ｎωr)ｔ−ＮφBS] …（１１）
基地局１から制御局２側への受信信号７３の伝搬時間をＴとし、t' = ｔ−Tとおく。制御局２側では、基地局１から伝送されてきた受信信号７５（ここでは、アンテナ素子４ａの線路の所望帯域のみを示す）に対して、制御局ＬＯ信号７６ａを乗算する。制御局２側での基準信号８０の位相状態がφCSであれば、制御局ＬＯ信号７６ａは（１２）式で表すことができる。
【００５６】
ＬＯ２a(t)＝cos[(Ｎ＋３)ωrｔ’＋(Ｎ＋３)φCS] …（１２）
制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄの周波数は、受信信号７５ａ〜７５ｄを同一の周波数帯に変換するように選択される。このため、簡単には、制御局ＬＯ信号７６ａ〜７６ｄの周波数は、順番に、(N+3)ωr、(N+2)ωr、(N+1)ωr、Ｎωrと設定すればよい。
【００５７】
以上より、受信信号７７ａは、（１３）式で表すことができる。
【００５８】
【数８】
【００５９】
φCS＝φBS±２π …（１４）
(14)式の関係を満たすことで、各付加位相項は−(２Ｎ＋３)φBS±２πとなり、受信信号７７ａ〜７７ｄに付加される相対位相差はゼロとなる。
【００６０】
ここで、付加位相項による影響を調べるため、受信信号７１ａ〜７１ｄは、相対位相差がゼロの正弦波信号とする。（１４）式の関係が満たされない場合、受信信号７７ａ〜７７ｄは、図５(a)に示されるように、２回の周波数変換における付加位相項が、各アンテナ素子４ａ〜４ｄの線路間で異なるため、相対位相差の関係が崩れ、波形は重ならない。
【００６１】
一方、（１４）式の関係が満たされている場合には、２回の周波数変換による付加位相項は等しいため、受信信号７１ａ〜７１ｄは相対位相差がゼロの正弦波信号と仮定すると、制御局２における受信信号７７ａ〜７７ｄの波形は図５(b)のようになる。この場合、２回の周波数変換による付加位相項はいずれも等しいため、受信信号７７ａ〜７７ｄの波形はすべて一致する。
【００６２】
このように、第１の実施形態では、基地局１内の複数のアンテナ素子４ａ〜４ｄで受信した受信信号を副搬送波多重して制御局２に送信するため、光伝送系部分の構成要素を最小限に抑えることができ、基地局１の構成を簡略化することができる。また、各受信信号の相対位相差と相対強度を維持したままで、基地局１から制御局２に受信信号を伝送できるため、不要波や干渉波の影響を受けることなく高品質の信号受信が可能になる。
【００６３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、基地局局部発振器６から出力される基準信号と制御局局部発振器１３から出力される基準信号とを共有化するものである。
【００６４】
図６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６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。
【００６５】
図６の無線通信システムにおいて、基地局１から制御局２への受信系の構成は、基地局局部発振器６と制御局局部発振器１３の構成を除いて、第１の実施形態と同様である。
【００６６】
図６の無線通信システムは、制御局２から基地局１への送信系の構成を新たに追加した点と、基地局局部発振器６と制御局局部発振器１３が共通の基準信号を使用して局部発振信号を生成する点とに特徴がある。
【００６７】
新たに追加された基地局１内の送信系は、光−電気変換器３１と、分配器（第２の分波手段）３２と、乗算器（第４の周波数変換手段）３３ａ〜３３ｄと、バンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄと、ローノイズアンプ３５ａ〜３５ｄと、送受信を切り換えるサーキュレータ３６ａ〜３６ｄとを有する。
【００６８】
また、新たに追加された制御局２内の送信系は、変調器（ＭＯＤ）４１と、分配器（第１の分波手段）４２と、重み付け回路（第２の重み付け手段）４３ａ〜４３ｄと、乗算器（第３の周波数変換手段）４４ａ〜４４ｄと、バンドパスフィルタ４５ａ〜４５ｄと、加算器（第２の副搬送波多重信号生成手段）４６と、電気−光変換器（第２の送信手段、基準信号送信手段）４７とを有する。
【００６９】
図７は図６の制御局局部発振器１３の詳細構成を示すブロック図である。図７に示すように、制御局局部発振器１３は、基準信号を出力する基準発振器２０と、分配器２１と、位相比較器２２ａ〜２２ｄと、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２３ａ〜２３ｄと、分周器２４ａ〜２４ｄと、バンドパスフィルタ２５ａ〜２５ｄとを有する。
【００７０】
分配器２１は、基準発振器２０から出力された基準信号を、アンテナ素子の数よりも多く分配する。そして、何の信号処理も施さない基準信号８０を、図６に示される制御局２内の加算器９に入力する。
【００７１】
制御局２から基地局１へ伝達する送信信号８７ａ〜８７ｄについては後で詳述するが、基準信号８０は、送信信号８７ａ〜８７ｄと加算器９で合波されて、副搬送波多重信号８８として基地局１に伝送される。
【００７２】
図８は加算器９で生成される副搬送波多重信号８８の周波数スペクトル図である。副搬送波多重信号８８は、電気―光変換器１０で光信号１５１に変換されて、制御局２から基地局１に光伝送される。
【００７３】
基地局１内の光―電気変換器１１は、制御局２から送信された光信号１５１を受信信号８９に変換する。受信信号８９は、分配器１２に入力されて、アンテナ素子線路と基地局局部発振器６にそれぞれ分配される。
【００７４】
図９は基地局局部発振器６の詳細構成を示すブロック図である。図７の分配器２１からの受信信号８９が図９のバンドパスフィルタ２６を通過することにより、所望の基準信号８０が得られる。基地局局部発振器６は、制御局２から送信された基準信号に基づいて、各アンテナ素子線路に対する基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄを生成する。これにより、制御局局部発振器１３と基地局局部発振器６の基準信号８０を共有化することができる。
【００７５】
次に、第２の実施形態における送信系の動作について説明する。制御局２内の変調器２６からの出力である中間周波信号SIF(t)は、(15)式で表される。
【００７６】
【数９】
【００７７】
図６の変調器１６から出力された中間周波信号８５は、分配器４２でアンテナ素子数分に分波され、それぞれ重み付け回路４３ａ〜４３ｄに入力される。また、ビーム演算回路１６は、受信信号７１ａ〜７１ｄと等しい相対位相差及び相対強度差をもつ受信信号７６ａ〜７６ｄから、相対位相差及び相対強度差を抽出する。
【００７８】
これらの抽出情報より、無線信号７０の到来方向、つまり加入者の位置を検出し、その位置に基づいて無線信号９１の送信方向を決定し、それに対応した重みを演算する。重み付け回路４３ａ〜４３ｄでは、ビーム演算回路１６からの重み制御に従って、中間周波信号８５に、振幅及び位相、または、位相の重みを付加する。重みをＷで表すと、重み付け回路４３ａ〜４３ｄの出力信号８６ａ〜８６ｄは、(16)式のようになる。
【００７９】
【数１０】
【００８０】
【数１１】
【００８１】
基地局１側では、ＰＤ等の光―電気変換器３１で、光信号を電気信号である受信信号８９に変換する。受信信号８９は、分配器３２により分岐され、アンテナ素子線路と基地局局部発振器６に入力される。
【００８２】
基地局局部発振器６は、前述した通り、制御局２側の基準信号８０を基に、（２）式で示される基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄを生成する。アンテナ素子線路において、受信信号８９は、基地局局部発振器６からの基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄと乗算され、各受信信号を同一の無線周波数帯ωRFに周波数コンバートする。
【００８３】
乗算器３３ａ〜３３ｄの出力は、バンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄに入力されて所望の帯域が抽出される。バンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄの出力は、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄとサーキュレータ３６ａ〜３６ｄを介して、アンテナ素子４ａ〜４ｄに供給される送信信号９０ａ〜９０ｄが得られる。これら送信信号９０ａ〜９０ｄは、(18)式で示される。
【００８４】
【数１２】
【００８５】
【数１３】
【００８６】
上記により、各アンテナ素子４ａ〜４ｄからの送信信号９０ａ〜９０ｄは、(21)式のように表すことができる。
【００８７】
【数１４】
【００８８】
送信信号９０ａ〜９０ｄは、制御局２のビーム演算回路１６により振幅及び位相の重み付けがされており、アンテナ素子４ａ〜４ｄからの放射される無線信号９１の放射パターンが制御される。基地局１のアンテナ４ａ〜４ｄから放射される送信信号９０ａ〜９０ｄが、加入者方向に同相で合波されることにより、加入者で受信する無線信号９１は、(22)式のようになる。
【００８９】
【数１５】
【００９０】
このように、第２の実施形態では、基地局局部発振器６と制御局局部発振器１３の双方で、局部発振信号用の基準信号を共通化するため、構成を簡略化することができるとともに、局部発振信号同士の位相ずれや信号強度のずれをなくすことができる。
【００９１】
また、制御局２から基地局１に送信信号を伝送する際、送信信号の相対位相情報と相対強度情報を原理的に維持したまま、制御局２から送信局１に送信信号を伝送できるため、基地局１にはアクティブな信号処理をする構成要素を配置する必要がなく、基地局１の規模を小型化できるとともに、構成が簡易なために信頼性を向上できる。
【００９２】
（第３の実施形態）
第２の実施形態の送信系は、基地局１の構成を最小限に簡素化するために、送信用の重み付け回路（第２の重み付け手段）４３ａ〜４３ｄを制御局１側に備えている。制御局２側から基地局１側へ伝送される送信信号８７ａ〜８７ｄは、受信系での無線伝搬路を伝搬して雑音やフェージング等の影響を被っている受信信号７１ａ〜７１ｄとは異なり、位相と振幅が互いに異なっているだけである。したがって、重み付け回路４３ａ〜４３ｄの構成を簡略化することができる。
【００９３】
一方、重み付け回路４３ａ〜４３ｄを基地局２側に設けることが可能であれば、中間周波信号８５とビーム演算回路１６からの重み付け制御信号を、制御局２側から基地局１側に伝達し、基地局１側で重み付けを行って、送信信号を生成してもよい。
【００９４】
以下に説明する第３の実施形態は、送信系の重み付け回路１７ａ〜１７ｄを基地局１側に設けたものである。
【００９５】
図１０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。受信系の構成は、第１及び第２の実施形態と同様であり、共通の構成部分については、同一の符号を付している。
【００９６】
図１０の基地局１は、図６の構成に加えて、重み付け回路４３ａ〜４３ｄと、重み制御を行う重み制御回路５１とを有する。また、図１０の制御局２は、図６の構成から重み付け回路４３ａ〜４３ｄを取り除いた構成になっている。
【００９７】
ビーム演算回路１６は、第１の実施形態と同様に、基地局１からの副搬送波多重信号７４に含まれる受信信号７１ａ〜７１ｄの位相及び振幅情報を基に、無線信号７０の到来方向を推定する。その推定結果から、基地局１から加入者に送信する無線信号９１の放射ビームを、基地局１に備えた重み付け回路１７ａ〜１７ｄにより制御する。
【００９８】
ビーム演算回路１６は、基地局１側の重み付け回路１７ａ〜１７ｄの重みを制御するための制御信号９２を出力する。制御局２内の加算器５０は、変調器２６から出力された中間周波信号８５に、重み制御信号９２と、第２の実施形態と同様に基準信号８０とを重畳して、送信信号９３を出力する。
【００９９】
重み制御信号９２は、どのような形態でもよいが、代表的にはデジタル信号、または、デジタル信号を所定の周波数帯に周波数コンバートした信号である。電気―光変換器１０により、送信信号９３を光信号１５２に変換し、光ファイバ３を介して、基地局１側へ光伝送する。
【０１００】
基地局１側では、送信されてきた光信号１５２を光―電気変換器３１により受信信号９４に変換する。受信信号９４は、分配器３２により分岐され、アンテナ素子４ａ〜４ｄへの線路と、重み制御回路５１と、基地局局部発振器６とにそれぞれ入力される。
【０１０１】
重み制御回路５１は、重み制御信号９２に基づいて、重み付け回路４３ａ〜４３ｄを制御して、送信信号８５の振幅及び位相に重みを加え、中間周波の送信信号９５ａ〜９５ｄを出力する。
【０１０２】
送信側局部発振器５３は、正弦波である基地局ＬＯ信号９６を発生させ、分配器１２でアンテナ素子数分に分配し、各乗算器（第４の周波数変換手段）３３ａ〜３３ｄに入力する。図示していないが、基地局ＬＯ信号９６は、必要とあらば、基準信号８０に基づいて基地局ＬＯ信号を生成してもよい。
【０１０３】
乗算器３３ａ〜３３ｄは、重み制御回路３０から出力された中間周波送信信号９５ａ〜９５ｄと基地局ＬＯ信号９６とを乗算し、無線周波数帯に周波数をアップコンバートする。
【０１０４】
乗算器３３ａ〜３３ｄの出力はバンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄに入力されて所望帯域が抽出され、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄとサーキュレータ３６ａ〜３６ｄを介して、送信信号９７ａ〜９７ｄが得られる。送信信号９７ａ〜９７ｄは、アンテナ素子４ａ〜４ｄに入力され、放射パターンを加入者の位置に合わせて変化させる。
【０１０５】
このように、第３の実施形態では、アンテナ素子４ａ〜４ｄへの送信信号を生成する際、基地局１側で各送信信号の重み付けを行うため、制御局２から基地局１へ伝達する送信信号８５は１種類だけでよくなり、制御局１側の構成を簡略化することができる。
【０１０６】
また、基地局ＬＯ信号９６の周波数帯は、各アンテナ素子４ａ〜４ｄで共通であるため、基地局局部発振器３１は単に基準信号を分波するだけでよく、基地局局部発振器３１の構成を簡易化することができる。さらに、アンテナ素子４ａ〜４ｄの近くで重み付けを行うため、重み付けを行った後に伝送経路の伝搬により位相や信号強度が変動するような不具合が起きなくなる。
【０１０７】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、各アンテナ素子からの送信信号あるいは各アンテナ素子の受信信号を副搬送波多重して光伝送するのではなく、スペクトル拡散多重方式により信号伝送を行うものである。
【０１０８】
図１１は本発明に係る無線通信システムの第４の実施形態の構成を示すブロック図である。図１１では、第１〜第３の実施形態と共通する構成部分には同一の符号を付している。
【０１０９】
図１１の基地局１は、図１の基地局１に、アンテナ素子４ａ〜４ｄでの受信信号７１ａ〜７１ｄに対してスペクトル拡散を行う拡散器（第１のスペクトル拡散多重信号生成手段）５６ａ〜５６ｄを新たに追加した構成になっている。
【０１１０】
また、図１１の制御局２は、図１の制御局２内の乗算器１４ａ〜１４ｄとバンドパスフィルタ１５ａ〜１５ｄの代わりに、スペクトル逆拡散を行う逆拡散器（逆拡散手段）５７ａ〜５７ｄを設けた構成になっている。
【０１１１】
次に、図１１の無線通信システムの動作を説明する。基地局１は、不図示の加入者からの無線信号７０をアレーアンテナ４ａ〜４ｄで受信する。各アンテナ素子４ａ〜４ｄで受信した受信信号７１ａ〜７１ｄは、第１の実施形態と同様に(1)式で示される。
【０１１２】
各受信信号７１ａ〜７１ｄは、無線信号７０の到来方向に応じて、位相及び振幅が異なっている。ローノイズアンプ５ａ〜５ｄを通過した受信信号７１ａ〜７１ｄは、乗算器７ａ〜７ｄにて、基地局局部発振器３４から出力されて分波された基地局ＬＯ信号９８と乗算され、周波数ダウンコンバートされる。
【０１１３】
周波数ダウンコンバートされた受信信号９９ａ〜９９ｄは、拡散器５６ａ〜５６ｄでスペクトル拡散される。拡散器５６ａ〜５６ｄは、各アンテナ素子線路毎に異なる拡散符号が割り当てられている。拡散符号には、好ましくは、Walsh符号等の直交符号が良い。拡散器５６ａ〜５６ｄの出力であるスペクトル拡散信号９９ａ〜９９ｄは、加算器９により多重化されて、スペクトル拡散多重信号１００が得られる。
【０１１４】
図１２（ａ）は受信信号９９の周波数スペクトル図、図１２（ｂ）はスペクトル拡散信号１００の周波数スペクトル図、図１２（ｃ）はスペクトル拡散多重信号１０１の周波数スペクトル図である。スペクトル拡散多重信号１０１は、電気−光変換器１０にて光信号１５３に変換されて、光ファイバ３を介して制御局２へ伝送される。
【０１１５】
制御局２の光−電気変換器１１は、光信号１５３を電気信号１０２に変換する。電気信号１０２は、分配器１２によりアンテナ素子数分に分配されて、それぞれ逆拡散器３３ａ〜３３ｄに入力される。逆拡散器３３ａ〜３３ｄは、各アンテナ素子線路毎に割り当てた基地局１側と同一の拡散符号で、スペクトル逆拡散の信号処理を施す。逆拡散器３３ａ〜３３ｄの出力である受信信号１０３ａ〜１０３ｄは、基地局１における受信信号７１ａ〜７１ｄの相対位相情報φa〜φdと相対強度情報Pa〜Pdを維持している。
【０１１６】
逆拡散器３３ａ〜３３ｄの出力信号１０３ａ〜１０３ｄの一部は、ビーム演算回路１６に入力されて、相対位相φa〜φdと相対強度Ｐa〜Ｐdの情報が与えられる。すなわち、ビーム演算回路１６は、相対位相情報φa〜φdと相対強度情報Ｐa〜Ｐdに基づいて、基地局１における無線信号７０の到来方向を計算する。
【０１１７】
また、逆拡散器３３ａ〜３３ｄの出力信号１０３ａ〜１０３ｄは重み付け回路１７ａ〜１７ｄに入力され、ビーム演算回路１６からの重み制御信号により、位相および振幅が重み付けされた後、合波器１８で合波されて受信信号７８となる。
【０１１８】
ビーム演算回路１６は、合成器１８から出力される受信信号７８に対して、不要波や干渉波を抑圧して、ＳＩＲ (Signal-to-Interference Ratio)が最適となるように、重み付け回路１７ａ〜１７ｄの重み付け制御を行う。受信信号７８は、復調器１９に入力されて、加入者からの情報が取り出される。
【０１１９】
図１３（ａ）は拡散器５６の詳細構成を示すブロック図、図１３（ｂ）は逆拡散器５７の詳細構成を示すブロック図である。図示のように、拡散器５６と逆拡散器５７は、ほぼ同様に構成されており、入力信号と拡散符号との乗算を行う。
【０１２０】
拡散器５６は、バンドパスフィルタ８ａ〜８ｄを通過した受信信号と拡散符号発生器５８からの拡散符号１０４とを乗算する乗算器５９と、乗算器５９の出力から所望帯域の信号を抽出するバンドパスフィルタ６０とを有する。バンドパスフィルタ６０で抽出された信号がスペクトル拡散信号１００になる。
【０１２１】
一方、逆拡散器５７は、拡散符号１０４と同一の逆拡散符号１０５と分配器１２の出力である受信信号１０２とを乗算する乗算器６２と、乗算器６２の出力から所望帯域を抽出するバンドパスフィルタ６３とを有する。乗算器６３の乗算により、受信信号１０２はスペクトル逆拡散される。
【０１２２】
拡散符号１０４と逆拡散符号１０５に用いられる符号が、アンテナ線路毎に直交性を保ち、拡散と逆拡散の符号同期を適正に保てば、他の拡散符号でスペクトル拡散された信号の出力はゼロとなり、バンドパスフィルタ６３からは所望の信号のみが出力される。
【０１２３】
以上のように、全てのアンテナ素子４ａ〜４ｄの線路は、同一の周波数帯で伝送されるため、遅延量は等しく相対位相差は保たれる。相対強度差も保たれるため、制御局２側では、無線信号７０の到来方向を正確に推定することができる。
【０１２４】
また、図１１のようなスペクトル拡散多重方式の場合、副搬送波多重と異なり、基地局１には、アンテナの素子数に応じた局部発振器を設ける必要がなく、一種類の局部発振器だけを設けるだけでよい。
【０１２５】
その一方で、異なる拡散符号がアンテナ素子数分必要となるが、拡散符号は固定パターンであり、メモリーなどに記憶されておけばよい。このため、基地局全体の構成を小型化することができる。
【０１２６】
全てのアンテナ素子４ａ〜４ｄに対して、スペクトル拡散による多重効率を高めるためには、受信信号７１ａ〜７１ｄの強度差が大きくないことが望まれる。移動通信ではそのような条件を得ることが難しいが、WLL (Wireless Local Loop)等のように高速無線通信においては条件を満たしやすい。ＷＬＬでは、加入者と基地局１は直接波を送受信できるように配置されるため、直接波が見通せて、各アンテナ素子４ａ〜４ｄで受信する受信信号７１ａ〜７１ｄは、ほとんど等しいパワーとなる。このため、スペクトル拡散信号のパワーも等しく、全てのアンテナ素子線路に対する拡散多重効率を高く保つことができる。
【０１２７】
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、第４の実施形態に送信系を追加し、追加した送信系にもスペクトル拡散多重方式を適用するものである。
【０１２８】
図１４は本発明に係る無線通信システムの第５の実施形態のブロック図である。図１４では、図１１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。
【０１２９】
図１４の基地局１内には、送信系の構成として、光−電気変換器３１と、分配器３２と、逆拡散器６４ａ〜６４ｄと、乗算器（第２の周波数変換手段）３３ａ〜３３ｄと、局部発振器５４と、分波器５３と、バンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄと、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄと、サーキュレータ３６ａ〜３６ｄとが設けられている。
【０１３０】
また、図１４の制御局２内には、送信系の構成として、変調器４１と、分配器４２と、重み付け回路（第２の重み付け手段）４３ａ〜４３ｄと、拡散器６５ａ〜６５ｄと、加算器（加算手段）５０と、電気−光変換器４７とが設けられている。
【０１３１】
ビーム演算回路１６は、基地局１の受信信号７１ａ〜７１ｄに対応するスペクトル逆拡散信号１０３ａ〜１０３ｄの相対位相差および相対強度差から、基地局１から加入者への無線信号９１の放射パターンを求める。
【０１３２】
送信系側の重み付け回路１７ａ〜１７ｄは、アンテナ素子数に分配された中間周波信号８５の位相及び強度に重みを付加して、放射パターンを制御する。重みが付加された送信信号８６ａ〜８６ｄは、拡散器６５ａ〜６５ｄによりスペクトル拡散された後、加算器４６で多重化され、スペクトル拡散多重信号１０８が得られる。
【０１３３】
スペクトル拡散多重信号１０８は、電気―光変換器１０において光信号１５４に変換され、光ファイバ３を介して、基地局１に伝送される。基地局１側では、ＰＤ等の光―電気変換器１１で、光信号１５４を電気信号である受信信号１０９に変換する。
【０１３４】
受信信号１０９は、分配器３２により分岐され、それぞれの逆拡散器６４ａ〜６４ｄに入力される。逆拡散器６４ａ〜６４ｄは、拡散器６５ａ〜６５ｄで使用した拡散符号と同一の逆拡散符号を用いてスペクトル逆拡散を行う。乗算器３３ａ〜３３ｄは、基地局局部発振器５４からの基地局ＬＯ信号９８に基づいて、スペクトル逆拡散を行った信号を無線帯域の周波数にアップコンバートする。
【０１３５】
乗算器３３ａ〜３３ｄの出力は、バンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄに入力されて、所望帯域が抽出される。その後、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄとサーキュレータ３６ａ〜３６ｄを介して、各アンテナ素子に供給される送信信号１０７ａ〜１０７ｄが得られる。送信信号１０７ａ〜１０７ｄは、制御局２のビーム演算回路１６により振幅及び位相に重み付けされているため、アンテナ素子４ａ〜４ｄからの放射される無線信号９１の放射パターンが制御されることになる。
【０１３６】
このように、第５の実施形態では、アンテナ素子４ａ〜４ｄに送信信号を伝送する際にも、スペクトル拡散多重方式にて信号伝送を行うため、制御局および基地局側の送信系の構成を簡略化することができる。
【０１３７】
（第６の実施形態）
第６の実施形態は、第３の実施形態と同様に、送信系の重み付け回路１７ａ〜１７ｄを、基地局１側に設けたものである。
【０１３８】
図１５は本発明に係る無線通信システムの第６の実施形態のブロック図である。第６の実施形態の受信系の構成は第４および第５の実施形態と同一であり、同一符号を付している。
【０１３９】
図１５の基地局１は、図１４の構成に加えて、重み付け回路４３ａ〜４３ｄと、重み制御を行う重み制御回路５１とを有する。また、図１５の制御局２は、図１４の構成から重み付け回路４３ａ〜４３ｄを取り除いた構成になっている。
【０１４０】
ビーム演算回路１６は、第４の実施形態と同様に、基地局１からのスペクトル拡散多重信号７４に含まれている受信信号７１ａ〜７１ｄの位相及び振幅情報を基に、無線信号７０の到来方向を推定する。その推定結果から、基地局１から加入者へ送信する無線信号９１の放射ビームを、基地局１に備えた重み付け回路１７ａ〜１７ｄにより制御する。ビーム演算回路１６は、基地局１側の重み付け回路１７ａ〜１７ｄの重みを制御するための制御信号９２を出力する。
【０１４１】
加算器９は、変調器４１から出力された中間周波信号８５に重み制御信号９２を重畳して、送信信号９３を生成する。重み制御信号９２は、どのような形態でもよいが、代表的にはデジタル信号、または、デジタル信号を所定の周波数帯に周波数コンバートした信号である。
【０１４２】
電気―光変換器１０は、送信信号９３を光信号１５２に変換し、光ファイバ３を介して、基地局１側へ光伝送する。基地局１側では、送信されてきた光信号１５２を光―電気変換器１１により受信信号９４に変換する。受信信号９４は、分配器１２により分岐され、それぞれアンテナ素子４ａ〜４ｄへの線路、重み制御回路３０に入力される。
【０１４３】
重み制御回路３０は、重み制御信号９２を基に、重み付け回路１７ａ〜１７ｄを制御して、送信信号８５の振幅及び位相に重みを加え、中間周波の送信信号９５ａ〜９５ｄを生成する。送信側局部発振器５４は、正弦波である基地局ＬＯ信号９８を発生させ、分配器１２でアンテナ素子数分に分配し、各乗算器３３ａ〜３３ｄに入力する。
【０１４４】
乗算器３３ａ〜３３ｄは、中間周波送信信号９５ａ〜９５ｄと基地局ＬＯ信号９８とを乗算して、周波数をコンバートする。乗算器３３ａ〜３３ｄの出力はバンドパスフィルタ３４ａ〜３４ｄに入力されて所望帯域が抽出され、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄとサーキュレータ３６ａ〜３６ｄを介して、送信信号９７ａ〜９７ｄを得る。送信信号９７ａ〜９７ｄは、アンテナ素子４ａ〜４ｄに入力されて、下り無線信号９１の放射パターンを加入者の位置に合わせて変化させる。
【０１４５】
（第７の実施形態）
上述した第１〜第６の実施形態では、（７）式や（２０）式の位相条件に対して、（１４）式の位相条件を満たすことを前提としたが、（１４）式の条件を満たす以外にも、付加位相差をゼロにすることは可能である。
【０１４６】
例えば、各アンテナ素子と重み付け回路の間の線路のどこかに、あるいは制御局や基地局の局部発振器と乗算器との間のどこかに移相器を挿入し、挿入した移相器により、送信信号や受信信号に位相オフセットを与え、アンテナ素子線路間の相対位相差を維持してもよい。
【０１４７】
図１６は本発明に係る無線通信システムの第７の実施形態のブロック図であり、各アンテナ素子４ａ〜４ｄのそれぞれごとに移相器（位相補償手段）６６ａ〜６６ｄを有する例を示している。図１６の制御局２は、バンドパスフィルタ１５ａ〜１５ｄと重み付け回路１７ａ〜１７ｄとの間に移相器６６ａ〜６６ｄを設けた点を除いて、図１と同様に構成されている。
【０１４８】
図１６の移相器６６ａ〜６６ｄを設けることにより、各アンテナ素子４ａ〜４ｄの伝搬線路の遅延量を補償することができ、各アンテナ素子４ａ〜４ｄで受信された相対位相差を維持したまま、基地局１から制御局２に信号を伝送することができる。
【０１４９】
なお、図１６のような移相器６６ａ〜６６ｄを設ける代わりに、各アンテナ素子４ａ〜４ｄの線路間の遅延差及び位相差をオフセットとして、重み付け回路１７ａ〜１７ｄでの位相重みに付加しても良い。
【０１５０】
実際の無線通信システムでは、アンプ、フィルタ、乗算器等のマイクロコンポーネントに個体差による遅延及び位相差が付加されることになる。それらの遅延差及び位相差も、前述のように位相オフセットとして、移相器６６ａ〜６６ｄへの補償量、あるいは重み付け回路１７ａ〜１７ｄにおける位相重み量に取り入れると、より高い信頼性をもつ無線通信システムを提供することが可能となる。
【０１５１】
無線信号、中間周波信号、ＬＯ信号の周波数の関係では、第１の実施形態では(6)式、第２の実施形態では(19)式としたが、例えば、（６）式の代わりに（６ａ）式とし、（１９）式の代わりに（１９ａ）式としてもよい。
【０１５２】
【数１６】
【０１５３】
（その他の実施形態）
上述した第２および第３の実施形態においては、アンテナ４ａ〜４ｄにおける送信信号、受信信号の周波数変換に対して、同一の基地局ＬＯ信号７２ａ〜７２ｄと制御局ＬＯ信号７６ａ〜ｄを使用する例を説明した。しかし、送信系あるいは受信系の周波数変換用として、異なるＬＯ信号を出力する局部発振器を制御局２及び基地局１に備えてもよい。
【０１５４】
上述した各実施形態では、中間周波無線信号に対して重み付けを行っているが、局部発振器６，１３の出力であるＬＯ信号に対して、重み付けを行ってもよい。但し、ＬＯ信号において重み付けを行う場合、第１〜第３の実施形態の副搬送波多重光伝送においては、ＬＯ信号の周波数がそれぞれアンテナ素子線路毎に異なるため、ＬＯ信号の周波数おける位相に換算して、重み付けを行うのが望ましい。また、第３及び第６の実施形態においては、パワーアンプ３５ａ〜３５ｄの前段部分やローノイズアンプ５ａ〜５ｄの後段等の無線周波帯の送信信号や受信信号に対して重み付けを行ってもよい。
【０１５５】
上述した各実施形態では、位相及び振幅を制御する重み付け回路は、周波数変換された無線信号に対するアナログ信号処理として説明したが、デジタル信号処理で行っても良い。
【０１５６】
すなわち、受信系においては、受信信号をアナログーデジタル変換して、デジタル信号として重み付け回路に入力する。また送信系においては、デジタル信号処理である重み付け回路の出力をデジタルーアナログ変換して、アナログ信号として基地局側へ伝達する構成でも良い。
【０１５７】
アダプティブアンテナの信号合成方法は多岐にわたる。本実施形態では、信号合成した後に復調する方式を述べたが、例えば、遅延検波をしてから信号合成をするなど、他の方式で信号合成を行ってもよい。
【０１５８】
また、本実施形態では、伝送路を光ファイバとして説明を行った。しかしながら、伝送距離が長くない場合には、同軸ケーブルであってもよい。この場合には、電気−光変換器および光−電気変換器は不要になる。
【０１５９】
また、制御局２及び基地局１における電気―光変換器の電気―光変換方法には、レーザを直接変調する方法と外部光変調器を用いて変調する方法がある。アダプティブアンテナの適用が期待されているＩＴＳやＷＬＬで使用されるωRFは、5.8GHz及び22GHz等の高周波帯である。
【０１６０】
半導体レーザで直接変調できる帯域は、せいぜい数GHzであるため、高周波帯を直接変換する方法としては、外部光変調器を使用することになる。しかし、ＩＣ化等により回路要素増加に対しても小型化できる電気回路とは異なり、光回路は小型化することができない。そのため、外部光変調器の使用は、コンポーネントスペースが必要となり構成が複雑になるばかりか、高価である。本実施形態では、中間周波の無線信号を副搬送波多重して光伝送する構成であり、レーザ直接変調方式が採用でき、光送信器の構成を簡易化及び低コスト化することが可能である。
【０１６１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、複数のアンテナ素子で受信した信号を副搬送波多重信号またはスペクトル拡散多重信号に変換して、基地局から制御局に伝送するようにしたため、基地局と制御局間の信号伝送系の構成を簡略化することができる。
【０１６２】
例えば、基地局と制御局間で光ファイバを用いて信号伝送を行う場合は、送信系と受信系でそれぞれ１本の光ファイバで信号伝送を行えるため、光ファイバの数を削減できるとともに、電気−光変換器における光源の波長制御回路、光伝送部の光合成器、および光分波器も不要となる。
【０１６３】
したがって、各アンテナ素子に対して一対の電気−光変換器と光−電気変換器を必要とする従来の無線通信システムに比べて、光伝送部分の構成要素を減らすことができ、かつ、基地局の構成を大幅に簡略化および小型化することができる。また、電気系部分に比べてコストの高い光伝送系部品の数を減らすことにより、基地局のコスト低減が図れる。
【０１６４】
さらに、本発明によれば、基地局に備えたアンテナ素子での受信信号の相対位相差を、制御局側まで原理的に保つことができる。よって、制御局側のビーム演算回路から、この相対位相差情報を基に、基地局のアレーアンテナのビーム放射パターンを制御できる。つまり、基地局側には、ビーム演算回路及び制御回路を備える必要はなく、パッシブな要素の構成で、かつ小型化が可能である。このような利点を備えた基地局を数多く広いエリアに配置させても、信頼性および安定性の高い無線通信システムを提供することができる。
【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の実施形態の概略構成を示すブロック図。
【図２】基地局局部発振器の構成を示すブロック図。
【図３】基地局ＬＯ信号の波形図。
【図４】（ａ）は乗算器７ａとバンドパスフィルタ８ａの入出力信号を示す図、（ｂ）は乗算器１４ａとバンドパスフィルタ１５ａの入出力信号を示す図。
【図５】（ａ）は付加位相差がある場合の波形図、（ｂ）は付加位相差がない場合の波形図。
【図６】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７】図６の制御局局部発振器１３の詳細構成を示すブロック図。
【図８】加算器９で生成される副搬送波多重信号８８の周波数スペクトル図。
【図９】基地局局部発振器６の詳細構成を示すブロック図。
【図１０】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１１】本発明に係る無線通信システムの第４の実施形態の構成を示すブロック図。
【図１２】（ａ）は受信信号９９の周波数スペクトル図、（ｂ）はスペクトル拡散信号の周波数スペクトル図、（ｃ）はスペクトル拡散多重信号の周波数スペクトル図。
【図１３】（ａ）は拡散器の詳細構成を示すブロック図、（ｂ）は逆拡散器の詳細構成を示すブロック図。
【図１４】本発明に係る無線通信システムの第５の実施形態のブロック図。
【図１５】本発明に係る無線通信システムの第６の実施形態のブロック図。
【図１６】本発明に係る無線通信システムの第７の実施形態のブロック図。
【図１７】波長多重伝送を行う従来の無線通信システムのブロック図。
【図１８】各アンテナ素子ごとに光ファイバを割り当てた従来の無線通信システムのブロック図。
【符号の説明】
１ 基地局
２ 制御局
３ 光ファイバ
４ａ〜４ｄ アンテナ素子
５ａ〜５ｄ ローノイズアンプ
６ 基地局局部発振器
７ａ〜７ｄ 乗算器
８ａ〜８ｄ バンドパスフィルタ
９ 加算器
１０，４７ 電気−光変換器
１１，３１ 光−電気変換器
１２，３２，４２ 分配器
１３ 制御局局部発振器
１４ａ〜１４ｄ 乗算器
１５ａ〜１５ｄ バンドパスフィルタ
１６ ビーム演算回路
１７ａ〜１７ｄ 重み付け回路
１８ 加算器
１９ 復調器
２０ 基準発振器
２１ 分配器
２２ａ〜２２ｄ 位相比較器
２３ａ〜２３ｄ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）
２４ａ〜２４ｄ 分周器
２５ａ〜２５ｄ ループフィルタ
３３ａ〜３３ｄ 乗算器
３４ａ〜３４ｄ バンドパスフィルタ
３５ａ〜３５ｄ パワーアンプ
３６ａ〜３６ｄ サーキュレータ
４３ａ〜４３ｄ 重み付け回路
４４ａ〜４４ｄ 乗算器
４５ａ〜４５ｄ バンドパスフィルタ
４６ 加算器
５０ 波長制御器
５１ 光合成器
５２ 光分波器
５４ 基地局局部発振器
５５ 分配器
５６ａ〜５６ｄ，６５ａ〜６５ｄ 拡散器
５７ａ〜５７ｄ，６４ａ〜６４ｄ 逆拡散器
５８，６１ 拡散符号発生器
５９ 乗算器
６０，６３ バンドパスフィルタ
６２ 乗算器
６６ａ〜６６ｄ 移相器
Claims (6)
- 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り前記無線通信端末の位置に応じて指向性を変更可能な可変指向性アンテナと、
前記複数のアンテナ素子を介して、前記無線通信端末から受信した受信信号をそれぞれ異なる帯域に周波数変換する第１の周波数変換手段と、
前記第１の周波数変換手段により周波数変換された複数の信号を合波して第１の副搬送波多重信号を生成する第１の副搬送波多重信号生成手段と、
前記第１の副搬送波多重信号を前記有線伝送路を介して前記制御局に送信する第１の送信手段と、
前記第１の周波数変換手段に周波数変換の基準となる第１の基準信号を供給する第１の局部発振器と、を有し、
前記制御局は、
前記有線伝送路を介して前記基地局から送信された前記第１の副搬送波多重信号を前記複数のアンテナ素子ごとに分波して、同一の周波数帯の信号に周波数変換する第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に基づいて、前記複数のアンテナ素子の指向性を制御するための重み係数を求めるビーム演算手段と、
前記重み係数に基づいて、前記第２の周波数変換手段により周波数変換された複数の信号に対して重み付けを行う第１の重み付け手段と、
前記第１の重み付け手段で重み付けされた各信号を合波して受信信号を生成する受信信号生成手段と、
前記第２の周波数変換手段に周波数変換の基準となる第２の基準信号を供給する第２の局部発振器と、を有し、
前記第２の局部発振器は、前記第２の周波数変換手段が前記複数のアンテナ素子の各受信信号間の相対位相差を維持した信号を出力するように、前記第１の基準信号と所定の位相関係にある前記第２の基準信号を出力することを特徴とする無線通信システム。 - 前記制御局は、
前記可変指向性アンテナから前記無線通信端末に向けて送信される送信信号に相関する信号を、前記複数のアンテナ素子のそれぞれごとに分波する第１の分波手段と、
前記重み制御信号に基づいて、前記第１の分波手段で分波された各信号に対して重み付けを行う第２の重み付け手段と、
前記第２の重み付け手段で重み付けされた各信号をそれぞれ異なる帯域に周波数変換する第３の周波数変換手段と、
前記第３の周波数変換手段により周波数変換された各信号を合波して第２の副搬送波多重信号を生成する第２の副搬送波多重信号生成手段と、
前記第２の副搬送波多重信号を前記有線伝送路を介して前記基地局に送信する第２の送信手段とを更に有し、
前記基地局は、
前記有線伝送路を介して前記制御局から送信された前記第２の副搬送波多重信号を、前記複数のアンテナ素子のそれぞれごとに分波する第２の分波手段と、
前記第２の分波手段で分波された各信号を同一の周波数帯の信号に周波数変換する第４の周波数変換手段とを更に有し、
前記複数のアンテナ素子は、前記第４の周波数変換手段で周波数変換された各信号を前記無線通信端末に向けて送信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。 - 前記基地局および前記制御局のいずれか一方は、
基準信号を生成する基準信号生成手段と、
生成した基準信号を他方の前記基地局または前記制御局に伝送する基準信号送信手段と、を有し、
前記第１及至前記第４の各周波数変換手段は、前記基準信号生成手段にて生成された同一の基準信号に基づいて周波数変換を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。 - 前記基地局および前記制御局のいずれか一方は、
基準信号を生成する基準信号生成手段と、
生成した基準信号を他方の前記基地局または前記制御局宛てに前記副搬送波多貫信号に重畳して伝送する基準信号送信手段と、を有し、
前記第１及至第４の周波数変換手段は、前記基準信号生成手段にて生成された同一の基準信号に基づいて周波数変換を行うことを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。 - 前記基地局には、第１から第ｎのn本(nは正の整数)のアンテナ素子から構成される可変指向性アンテナを備えており、
前記基地局および前記制御局の少なくとも一方は、
前記基地局および前記制御局間の信号伝搬路と、前記基地局および前記制御局内の信号処理とにより発生される位相変動量を補償する位相補償手段を有し、
前記位相補償手段は、前記可変指向性アンテナの受信信号及び前記可変指向性アンテナヘの送信信号に対して、前記基地局に備えた前記各アンテナ素子と前記制御局とに備えた前記重み付け手段の区間において、各位相変化量φ1〜φnに、
φ1＋２ｍ1π＝φ2＋２ｍ2π＝φ3＋２ｍ3π
＝…＝φn＋２ｍnπ （ｍ1,…,ｍnは整数）
の関係が成り立つようにすることを特徴とする請求項１及至４のいずれかに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及至５のいずれかに記載の無線通信システム。
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