JP3845318B2

JP3845318B2 - 無線通信システム

Info

Publication number: JP3845318B2
Application number: JP2002039803A
Authority: JP
Inventors: 厚太田; 伸晃望月; 修加々見
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2022-02-18
Also published as: JP2003244041A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線空間を介して通信を行う無線通信システムにおいて、無線における通信品質を改善するためのダイバーシチ方式に関し、特に、小型、低コスト化が求められる通信装置の特性を改善するための技術に関する。本発明は、特に、家庭及びＳＯＨＯ用の無線ＬＡＮシステムの基地局装置において利用される。
【０００２】
【従来の技術】
公衆サービスやオフィス環境を中心として開発が進められてきた高速、広帯域の無線ＬＡＮシステムにおいては、その無線通信の品質を改善するために、送受信ダイバーシチ技術が積極的に用いられている。
【０００３】
図２に、従来方式における送受信ダイバーシチ機能を有する無線通信装置の無線部機能ブロックを示す。図２において、１０１ａ及び１０１ｂはアンテナを、１０２ａ及び１０２ｂはＴＤＤスイッチを、１０３ａ及び１０３ｂは受信回路を、１０４はアンテナ選択回路（受信側）を、１０５はアンテナ選択回路（送信側）を、１０６ａ及び１０６ｂは送信回路を示す。
【０００４】
なお、番号の添え字のａ及びｂは、２重化された回路のマスター側（ａで表示）及びスレーブ側（ｂで表示）を示している。また、実線の矢印で示した信号の流れは主信号を表し、点線の矢印で示した信号の流れは制御信号を表している。
【０００５】
無線回線を介して送受信される信号は、送受信ともにマスター及びスレーブに２重化されて処理される。送信及び受信のタイミングは、ＴＤＤスイッチ（マスター側）１０１ａ及びＴＤＤスイッチ（スレーブ側）１０１ｂによって切り替えられ、アンテナは送受信で共用される。
【０００６】
まず、受信タイミングにおいて、マスター側アンテナ１００ａにて受信された信号は、受信回路（マスター側）１０３ａにて増幅処理、周波数変換処理、受信レベル調整処理、復調処理等が行われる。この際、実際の受信レベルが測定され、この受信レベル情報はアンテナ選択回路１０４に入カされる。
【０００７】
同様に、スレーブ側アンテナ１ＯＯｂにて受信された信号は、受信回路（スレーブ側）１０３ｂにて増幅処理、周波数変換処理、受信レベル調整処理、復調処理等が行われ、受信レベル情報はアンテナ選択回路（受信側）１０４に入カされる。
【０００８】
アンテナ選択回路１０４では、各アンテナの受信レベルを比較してより受信レベルの高い側を選択し、これを受信データとして出力する。またこの際、選択されたアンテナ情報は、送信側のアンテナ選択回路（送信側）１０５に入力する。
【０００９】
一方、送信側の処理においては、入力されたデータはアンテナ選択回路（送信側）に入力され、受信時において受信レベルの高かった方のアンテナを選択する。例えば、マスター側が選択された場合には、データは送信回路（マスター側）１０６ａに入力され、復調処理、周波数変換処理、増幅処理等が行われ、ＴＤＤスイッチ（マスター側）１０２ａを介してマスター側のアンテナ１０１ａより無線信号を送信する。
【００１０】
同様に、スレーブ側が選択された場合には、データは送信回路（スレーブ側）１０６ｂに入力され、復調処理、周波数変換処理、増幅処理等が行われ、ＴＤＤスイッチ（スレーブ側）１０２ｂを介してスレーブ側のアンテナ１０１ｂより無線信号を送信する。
【００１１】
以上が従来方式における送受信ダイバーシチ機能を有する無線通信装置の無線部の機能ブロックの構成例である。受信ダイバーシチの実現方法としては、マスターとスレーブのうちの受信レベルの高い方を選択する選択ダイバーシチと、マスターとスレーブの受信信号を合成する合成ダイバーシチ等のバリエーションがある。
【００１２】
さらに、５ＧＨｚ帯のＨｉＳＷＡＮａシステムや１ＥＥＥ８０２．１１ａシステムなどのように、マルチキャリアを用いるシステムなどでは、サブキャリア毎にダイバーシチ処理を行うことになる。
【００１３】
したがって、図２に示した送受信ダイバーシチ機能を有する無線通信装置の無線部の機能ブロックは、送受信ダイバーシチ機能を実現する際の構成の一例を示したものに過ぎない。
【００１４】
なお、送受信ダイバーシチ機能を備えない無線通信装置の場合には、図３の構成となる。図３において、１１１はアンテナ、１１２はＴＤＤスイッチ、１１３は受信回路、１１４は送信回路である。送受信ともに１系統であり、図２に比べて構成も制御も簡略化されている。
【００１５】
また、以上説明した無線部を用いて受信されたデータには、無線回線上で発生した符号誤りが含まれることがある。これらの符号誤りを補償する為には、誤り訂正符号の適用の他にも、無線送受信局間で行う再送制御が有効である。送信側において、送信データと共に誤り検出符号、シーケンス番号等を付与し、誤りが検出された場合にはそのデータを再送することにより誤り補償する。
【００１６】
この際、再送に伴う処理遅延が増大することを避けるため、再送回数に上限を設定し、この上限回数に達した場合には再送を打ちきることがある。この場合、この上限回数以内に再送を完了出来ないと、無線回線での伝送品質は劣化することになる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の送受信ダイバーシチ技術のうち、受信ダイバーシチ技術を適用するためには、単に複数のアンテナを無線通信装置において備えればよいのではなく、無線通信装置の無線部の受信系を完全に２重化する必要がある。
【００１８】
また、送信ダイバーンチ技術を適用するためには、無線通信装置の無線部の送信系を２重化することに加え、データ受信時の受信状態を解析し、受信状態のよいアンテナの情報を記憶しておき、データ送信時にはそのアンテナを用いて送信を行うなど非常に複雑な制御を行う必要がある。
【００１９】
特に、５ＧＨｚ帯を用いたＡＲＩＢＳＴＤＴ−７０に準拠したＨｉＳＷＡＮａシステ今及びＡＲＩＢＳＴＤＴ−７１に準拠したＣＳＭＡ（又はＩＥＥＥ８０２．１１ａ）システムなどでは、複数のサブキャリアを用いるＯＦＤＭ変調方式が採用されており、これらのシステムで送受信ダイバーシチを実現するためには、各サブキャリアに独立に受信ダイバーシチ制御及び送信ダイバーシチ制御を実施しなければならず、更に複雑さを増すことになる。
【００２０】
一般に、移動局側の小型化及び低コスト化を目的として、これらの機能は基地局装置側のみに実装されることが多い。
【００２１】
上述した高速、広帯域の無線ＬＡＮシステムにおいては、公衆サービスやオフィス環境を中心として開発が進められてきたが、今後は家庭用、ＳＯＨＯ用としても普及していくものと予想される。広範囲のサービスエリア内の移動局に効率的にサービスを提供するためには、上記の送受信ダイバーシチ技術は必須であるが、小規模の家庭用の基地局装置においてはサービスエリアも限定され、必ずしも送受信ダイバーシチ技術は必要ではない。さらに、普及促進のためには、基地局装置の更なる小型化、低コスト化が求められており、無線部の構成を簡易にするためには、送受信回路を単一化することが好ましい。
【００２２】
一方、公衆及びオフィス環境などでは、人の動きが激しく、フェージング現象（無線環境において、伝搬状況が時間と共に変化し、周期的に受信状態が劣化する現象）におけるドップラー周波数が大きい。したがって、公衆及びオフィス環境では、伝送品質が劣化した状態の継続時間が短く、発生した符号誤りも再送時には状態が回復している。
【００２３】
しかし、公衆及びオフィス環境などに比べて動きの少ない家庭、ＳＯＨＯなどのホーム環境では、フェージングおけるドップラー周波数が小さく、一旦、受信状態が劣化すると、その状態が暫くの間、継続する。
【００２４】
従来の送受信ダイバーシチを用いる場合には、一方のアンテナの受信状態が継続的に劣化しても、他方のアンテナの受信状態が良ければ良好なアンテナを選択して通信を行うことが出来るため、品質が劣化した状態は実際には長くは続かない。しかし、送受信回路の単一化などの観点から、単一のアンテナで通信を行う場合には、品質の劣化の状態が長く続き、符号誤りを再送により補償しようとしても、伝送路の状態が復帰する前に多数の再送を繰り返し、再送の上限回数に達してしまう可能性がある。
【００２５】
例えば、無線区間の伝搬路の状態が図４に示す２状態の遷移モデルで表現できたとする。本遷移モデルにおいて、１２１は通信状態の劣悪な状態（Ｂａｄ）、１２２は通信状態が良好な状態（Ｇｏｏｄ）であり、それぞれのパケット誤り率（ＰＥＲ：ＰａｃｋｅｔＥｒｒｏｒＲａｔｅ）はλ１及びλ２で与えられるものとする。
【００２６】
さらに、Ｂａｄ状態１２１の継続する確率はα、Ｇｏｏｄ状態１２２の継続する確率はβで与えられ、さらに状態が遷移する確率はＢａｄからＧｏｏｄへの遷移が１−α、ＧｏｏｄからＢａｄへの遷移が１−βで与えられる。この遷移モデルにおいては、平均のパケット誤り率ＰＥＲ_ａｖｅは数１で与えられる。
【００２７】
【数１】

【００２８】
ここで１−α＜＜１，１−β＜＜１の場合、つまり状態遷移の周期が非常に長い場合、例えば計Ｎ回の送信（Ｎ−１回の再送）を行ったとしても、この間には状態遷移が行われないことが予想され、この場合の再送後の誤り確率ＰＥＲ［Ｎ］は近似的に数２で与えられる。
【００２９】
【数２】

【００３０】
一例として、α＝０．９，β＝０．９９，λ１＝０．５，λ２＝０．００１，Ｎ＝８の場合、ＰＥＲ_ａｖｅ＝４．６×１０^-2であり、符号誤りが完全にランダムであれば（つまり送信ごとに誤りの相関がない場合には）、８回の送信後（７回の再送後）のＰＥＲはＰＥＲ_ａｖｅの８乗で与えられ、２．１×１０^-11となる。しかし、数２においてＮ＝８とした場合にはＰＥＲ［８］＝３．６×１０^-4であり、再送により効率的にＰＥＲ特性が改善されていないことが分かる。
【００３１】
そこで、本発明は、無線部の送受信系を２重化することなしに、簡易な構成にて、ドップラー周波数の低いフェージング環境においても効率的に再送制御を行える無線通信装置を提供することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記課題は、前記特許請求の範囲に記載の手段により、解決される。すなわち、請求項１に記載の発明は、複数のアンテナを有する基地局と複数のアンテナを有する移動局とが、無線空間を介してバースト的に通信を行うとともに、無線区間で発生した符号誤りに対し再送により誤り補償を行う、無線通信システムにおいて、
【００３３】
前記基地局および前記移動局は、送信時又は受信時に用いるアンテナを、通信を行う際に用いる無線フレーム周期又は無線フレーム周期の整数倍の周期で切り替えることを特徴とする無線通信システムである。
【００３４】
請求項２に記載の発明は、複数のアンテナを有する基地局と複数のアンテナを有する移動局とが、無線空間を介してバースト的に通信を行うとともに、無線区間で発生した符号誤りに対し再送により誤り補償を行う、無線通信システムにおいて、
【００３５】
前記基地局および前記移動局は、送信時又は受信時に用いるアンテナを、データの送信の都度、またはデータの受信の都度、順番に切り替えることを特微とする無線通信システムである。
【００３６】
請求項３に記載の発明は、複数のアンテナを有する基地局と単一のアンテナを有する移動局とが、無線空間を介してバースト的に通信を行うとともに、無線区間で発生した符号誤りに対し再送により誤り補償を行う、無線通信システムにおいて、
【００３７】
前記基地局は、送信時又は受信時に用いるアンテナを、通信を行う際に用いる無線フレーム周期又は無線フレーム周期の整数倍の周期で切り替えることを特徴とする無線通信システムである。
【００３８】
請求項４に記載の発明は、複数のアンテナを有する基地局と単一のアンテナを有する移動局とが、無線空間を介してバースト的に通信を行うとともに、無線区間で発生した符号誤りに対し再送により誤り補償を行う、無線通信システムにおいて、
【００３９】
前記基地局は、送信時又は受信時に用いるアンテナを、データの送信の都度、またはデータの受信の都度、順番に切り替えることを特微とする無線通信システムである。
【００４０】
本発明は、複数のアンテナを備えながらも無線部が１系統であり、アンテナの切替えを各アンテナの送信又は受信状態に依存せずに周期的に実施する。
【００４１】
したがって、本発明によれば、無線部が１系統でありながらも、簡易な制御で受信状態が劣化した状態が長く継続することを抑制することができる。この結果、基地局の小型化及び低コスト化を図りながら、無線回線上での符号誤り発生時に、効率的に再送制御を実施することが可能となる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の種々の実施形態について、図を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態における無線部の機能ブロックを示す図である。図１において、１〜４はアンテナ、５はアンテナ切替えスイッチ、６はアンテナ切替え制御回路、７はＴＤＤスイッチ、８は受信回路、９は送信回路である。図におけるＴＤＤスイッチ７、受信回路８、送信回路９は、従来方式における図３のそれぞれと同一であり、本発明はこれに複数のアンテナ１〜４、アンテナ切替えスイッチ５、アンテナ切替え制御回路６が追加された構成となっている。
【００４３】
データの送受信において用いるアンテナは複数本存在し、これらはアンテナ切替えスイッチにより周期的に切替えられる。アンテナの切り替え指示は、アンテナ切替え制御回路６によって行われるが、切り替えの条件は、送信又は受信状態を反映する必要はない。
【００４４】
例えば、ひとつの基地局と複数の移動局間の通信を、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）方式を用いて行う場合などでは、ＴＤＭＡフレームの周期、又はこのＴＤＭＡフレーム周期の整数倍の周期で、アンテナ切替え制御回路６にてアンテナ切替えを行っても良い。請求項１及び請求項３に記載した発明は、この点を規定するものである。
【００４５】
一方、特に送受信のフレーム構成を取らない、ＩＥＥＥ８０２．１１システムなどの場合には、データの送信毎ないしはデータの受信毎にアンテナを切り替えてもよい。ＩＥＥＥ８０２．１１システムでは、送信局がデータを送信した後にＡＣＫが受信された場合には次のデータを送信し、ＡＣＫが受信できなかった場合には再送を行う。
【００４６】
すなわち、送受信局間でデータ及び制御情報を逐次交換しながら通信を行うのであるが、この送信→受信→送信→受信…の周期に合わせて、アンテナ切替え制御回路６にてアンテナ切替えを行っても良い。請求項２、請求項４及び請求項５に記載した発明は、この点を規定するものである。
【００４７】
また、ひとつの基地局と複数の移動局により構成される無線通信システムの場合には、基地局側のみに複数のアンテナ１〜４、アンテナ切替えスイッチ５、アンテナ切替え制御回路６を備え、移動局側の無線部の構成としては、従来方式における図３に示す無線部の構成を取ることも可能である。請求項３または請求項４に記載した発明は、この点を規定するものである。
【００４８】
なお、アンテナの本数は２本以上であれば何本でも構わない。一般には、アンテナの本数が多いほど特性の改善効果が期待できるが、各アンテナの受信状態の相関が低く抑えられる様、それぞれのアンテナは１／２波長以上の間隔を空けて配置するのが好ましい。
【００４９】
以下に、本実施の形態の効果を説明する。一般に、１／２波長以上の間隔をあけて配置されたアンテナ間では、フェージングにおける符号誤りの相関は低い。図４に示した様なモデルで表現可能な伝搬路においては、通信状態が劣悪な状態で再送を繰り返すことになる可能性があり、特にドップラー周波数が低い状況においては、数２に示す様に再送によるＰＥＲ特性の改善効果は低い。
【００５０】
しかし、本発明においてＭ本のアンテナを用いる場合には、アンテナを切り替えることにより「Ｎ回の送信」は「Ｎ／Ｍ回の再送を（誤り相関のない）独立なＭ個の系で別々に行う」に置き換えることが可能となり、Ｍ本のアンテナを用いてＮ回の送信を行う場合のＮ回送信後の誤り確率ＰＥＲ’［Ｎ，Ｍ］は、近似式として以下の数３で与えられる。
【００５１】
【数３】

【００５２】
ここで、ＰＥＲ［Ｎ／Ｍ］は、数２によって与えられるパケット誤り率である。この結果、Ｍ個の系が全て図４に示すＢａｄ状態にない限り、再送による改善効果が十分に期待される。一例として、上述の様にα＝０．９，β＝０．９９，λ１＝０．５，λ２＝０．００１，Ｎ＝８の場合、ＰＥＲ_ａｖｅ＝４．６×１０^-2に対し、アンテナが２本の場合にはＰＥＲ’［８，２］＝３．２×１０^-5、アンテナが４本の場合にはＰＥＲ’［８，４］＝２．７×１０^-7となり、数２を用いた場合のＰＥＲ［８］＝３．６×１０^-4に対して再送によるＰＥＲの改善効果が大きくなる。
【００５３】
受信ダイバーシチによる利得は、通常６ｄＢ程度と言われているが、再送後のＰＥＲ特性をシミュレーションにより評価した結果、ドップラー周波数が１０Ｈｚ程度になると本発明によるダイバーシチ利得は約３ｄＢ程度であった。つまり、非常に簡易な構成でありながらも、従来の送受信ダイバーシチの半分程度の利得を得ることが可能であり、その効果は十分大きいものと言える。また、本発明は単に受信ダイバーシチの利得を得るだけでなく、同時に送信ダイバーシチの効果も得ることが可能である。
【００５４】
なお、従来の送受信ダイバーシチにおいては、数１で表される平均のＰＥＲ_ａｖｅ特性を改善することが目的であったが、本発明においてはＰＥＲ_ａｖｅ特性自体の改善は図れない。しかし、再送後のＰＥＲ特性を改善することにより、結果的にユーザに提供される伝送品質を向上することが可能である。
【００５５】
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することが出来る。従って本発明の技術的範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、無線部の２重化を行うことなく簡易な構成をとりながらも、低いドップラー周波数のフェージング環境下での再送制御後のＰＥＲ特性を改善することが可能であり、その結果、小型の家庭用、ＳＯＨＯ用無線通信装置（特に基地局装置）を安価で提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における無線部の機能ブロックを示す図である。
【図２】従来方式における送受信ダイバーシチ機能を有する無線通信装置の無線部機能ブロックを示す図である。
【図３】従来方式における送受信ダイバーシチ機能を備えない無線通信装置の無線部機能ブロックを示す図である。
【図４】無線区間の伝搬路の２状態の遷移モデルを示す図である。
【符号の説明】
１〜４アンテナ
５アンテナ切替えスイッチ
６アンテナ切替え制御回路
７ＴＤＤスイッチ
８受信回路
９送信回路
１０１ａアンテナ（マスター側）
１０１ｂアンテナ（スレーブ側）
１０２ａＴＤＤスイッチ（マスター側）
１０２ｂＴＤＤスイッチ（スレーブ側）
１０３ａ受信回路（マスター側）
１０３ｂ受信回路（スレーブ側）
１０４アンテナ選択回路（受信側）
１０５アンテナ選択回路（送信側）
１０６ａ送信回路（マスター側）
１０６ｂ送信回路（スレーブ側）
１１１アンテナ
１１２ＴＤＤスイッチ
１１３受信回路
１１４送信回路
１２１通信状態の劣悪な状態（Ｂａｄ）
１２２通信状態が良好な状態（Ｇｏｏｄ）

Claims

複数のアンテナを有する基地局と複数のアンテナを有する移動局とが、無線空間を介してバースト的に通信を行うとともに、無線区間で発生した符号誤りに対し再送により誤り補償を行う、無線通信システムにおいて、
前記基地局および前記移動局は、送信時又は受信時に用いるアンテナを、通信を行う際に用いる無線フレーム周期又は無線フレーム周期の整数倍の周期で順番に切り替えることを特徴とする無線通信システム。
複数のアンテナを有する基地局と複数のアンテナを有する移動局とが、無線空間を介してバースト的に通信を行うとともに、無線区間で発生した符号誤りに対し再送により誤り補償を行う、無線通信システムにおいて、
前記基地局および前記移動局は、送信時又は受信時に用いるアンテナを、データの送信の都度、及びまたはデータの受信の都度、順番に切り替えることを特微とする無線通信システム。
複数のアンテナを有する基地局と単一のアンテナを有する移動局とが、無線空間を介してバースト的に通信を行うとともに、無線区間で発生した符号誤りに対し再送により誤り補償を行う、無線通信システムにおいて、
前記基地局は、送信時又は受信時に用いるアンテナを、通信を行う際に用いる無線フレーム周期又は無線フレーム周期の整数倍の周期で順番に切り替えることを特徴とする無線通信システム。
複数のアンテナを有する基地局と単一のアンテナを有する移動局とが、無線空間を介してバースト的に通信を行うとともに、無線区間で発生した符号誤りに対し再送により誤り補償を行う、無線通信システムにおいて、
前記基地局は、送信時又は受信時に用いるアンテナを、データの送信の都度、及びまたはデータの受信の都度、順番に切り替えることを特微とする無線通信システム。
前記基地局又は前記移動局が送信局として送信したデータに対するＡＣＫを前記送信局が受信するか否かによって再送の必要性を判断することを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの無線通信システム。
前記基地局が有する前記複数のアンテナの切替えを各アンテナの送信又は受信状態に依存せず周期的に実施することを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの無線通信システム。
前記移動局が有する前記複数のアンテナの切替えを各アンテナの送信又は受信状態に依存せず周期的に実施することを特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信システム。