JP4040585B2

JP4040585B2 - 適応アレーアンテナによる通信システムおよび通信方法

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Publication number: JP4040585B2
Application number: JP2004043527A
Authority: JP
Inventors: 健太郎西森; 泰司鷹取; 理一工藤; 伸彦立川; 光一常川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: JP2005236686A

Description

本発明は、基地局と複数の端末が存在する空間分割多重アクセス（Space Division Multiple Access，以下、ＳＤＭＡと呼ぶ。）において、高速伝送を実現しながら、基地局素子数と同程度のユーザを分離可能な、適応アレーアンテナによる通信システムおよび通信方法に関するものである。

移動通信に用いられる基地局において、複数のユーザを同時に接続する手法としては、周波数を分割して各ユーザに割り当てる周波数分割多重アクセス（ＦＤＭＡ：Frequency Division Multiple Access）が提案されている。
また、時間方向に分割したスロットを各ユーザに割り当てる時間分割多重アクセス（ＴＤＭＡ：Time Division Multiple Access）する手法も提案されている。
更に、比較的広い周波数帯域に情報をユーザ固有の符号を割り当てて拡散して送信し、受信側で同じ符号を用いて拡散した周波数成分を合成する符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ：Code Division Multiple Access）なども提案されている。
上記ＦＤＭＡ、ＴＤＭＡ、ＣＤＭＡの各手法は商用のシステムに既に導入されている。

しかし、近年の移動通信の普及に伴う加入者急増のため、携帯電話のシステムであるセルラシステムにおいて、割り当てられた周波数チャネルの許容量以上の通話要求が生じ、電話がかかりにくいなどの問題が生じている。また、無線ＬＡＮ(Local Area Network)などの普及により、音声のみならずインターネットや動画配信などのデータ伝送の必要性が向上している。
このためには、数十Ｍ〜数百Ｍbpsの通信が必要となる。無線ＬＡＮなどの今後の利便性の向上を考えると、無線ＬＡＮにおいても今後加入者が増大し、セルラシステムと同様の問題が発生すると考えられる。すなわち、将来の無線通信システムでは、高速伝送を実現しながら周波数利用効率を高めるための技術が必要になると考えられる。

周波数の利用効率を上げて、無線通信のチャネル容量拡大を実現する手法として、図６に示すように、基地局アンテナの指向性の主ビーム方向を希望ユーザ＃１の方向に向け、他のユーザ＃２方向に指向性のヌルを向けることにより、空間を分割して複数のユーザに対して同一の周波数を共用するＳＤＭＡが提案されている。

ＳＤＭＡを実現するためには、同一周波数の干渉波を除去することが必要となる。同一周波数の波を低減する技術として、図７に示す適応アレーアンテナが提案されている。アダプティブアレーアンテナは、例えば、非特許文献１などに開示されている。
適応アレーアンテナは、複数のアンテナ（１ａ_１〜１ａ_Ｎ）を配置し、各アンテナに入力された信号Ｘ_ｉ（ｉは、１からＮまでのいずれかの整数）に対し、干渉波を低減し、所望波を合成するような重み付けＷ_ｉを乗算することで、同一周波数の干渉波が到来する環境下で、良好な伝送品質を得ることができる。

図８に、この適応アレーアンテナ１ａを用いた場合の、２ユーザに対してＳＤＭＡを実現する基地局ｂの構成を示す。図は受信時の構成を示している。適応アレーアンテナ１ａで受信した信号に対して周波数変換器２でベースバンド信号に変換した後、Ａ／Ｄ変換器３で各適応アレーアンテナ１ａからの信号をＡ／Ｄ変換する。ディジタル信号をユーザ＃１用の指向性制御部４ａと、ユーザ＃２用の指向性制御部４ｂにそれぞれ入力して指向性形成をし、所望信号を出力する構成である。

ＳＤＭＡは、主に基地局ｂ側の制御により周波数利用効率を向上させる技術であるが、基地局ｂと端末ｍの両方にアレーアンテナを用いることで、通信帯域を広げずに伝送速度を向上させる技術としてＳＤＭ（Space Division Duplex）が検討されている。これは例えば、非特許文献２などに開示されている。

図９にＳＤＭの構成例を示す。図９に示すように、ＳＤＭでは、端末ｍも複数のアンテナ（１ｂ_１、１ｂ_２）および送受信装置を配置している。この複数のアンテナ素子（１ｂ_１、１ｂ_２）より、同一周波数、同一時間において異なるデータを送信する。図の場合、理想的にこれらの異なるデータが基地局ｂ側でうまく復号できれば、端末ｍが１本の場合に対して、２倍の伝送速度を得ることができる。ＳＤＭの具体的な基地局ｂの構成は図８の構成と同様に実現できる。

ＳＤＭを具体的に実現する手法として、垂直・水平偏波や±45度偏波といった直交偏波を使うことが提案されている。これは、非特許文献３などに開示されている。この文献では、直交偏波の直交性を生かすことで２ブランチのＳＤＭが比較的容易に実現することができることが示されている。
Monzingo et al, 「Introduction to the Adaptive Arrays」, John Willy & Sons, １９８０年, ｐ．６−８ A. Paulraj et. Al, 「Introduction to Space Time Wireless Communications」, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, ２００３年, ｐ．８６−１１１唐沢他, 「MIMO 空間・偏波融合伝送における伝搬チャネルモデリングとその研究課題」, 第475回電波研連Ｆ分科会, ［online］, ［平成１６年２月１０日検索］, インターネット＜URL：http://www2.crl.go.jp/pub/ursi-f/annai475.html＞

従来のＳＤＭＡでは、以下のような問題が生じる。図１０は、同時接続ユーザ数に対するＳＤＭＡ適用時の出力ＳＩＮＲ（Signal to Interference to Noise power Ratio：所望信号と干渉波の電力比)を示したものである。このＳＩＮＲが高ければ高いほど、通信の品質が良くなることを意味している。
アンテナ１素子あたりのＳＮＲ（Signal to Noise Ratio：信号と雑音の電力比）を20dBとした。基地局ｂに到来する角度広がりは５度とし、到来波は、角度広がりの中に、等振幅・ランダム位相波を100波発生させた。基地局ｂの素子数をそれぞれ４と８とし、素子間隔を0.5λとした。基地局ｂと端末アンテナの偏波は垂直とした。

図１０は、各端末からの角度の範囲をランダムに1000回配置された場合における出力ＳＩＮＲ特性が最も低くなる端末に対する累積確率20％値を示している。基地局ｂ側での制御アルゴリズムはＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）とした。
図１０より、ユーザ数が増加すると、ＳＩＮＲが劣化することが確認できる。特に、素子数が８の場合は、ユーザ数が６以上でＳＩＮＲ＜０dBとなることがわかる。

従来のＳＤＭでは、以下のような問題が生じる。ＳＤＭの特性は、伝搬環境（伝搬路の角度広がり）に依存することが知られている。そこで、角度広がりとＳＤＭを行う端末が複数存在する場合の特性を評価した。
図１１に角度広がりとＳＤＭの特性を示す。図１１は、図１０と角度広がり以外は同じ環境で計算した。この計算で端末アンテナは２素子とし、端末アンテナの素子間隔は0.5λとした。

図１１（Ａ）より、垂直偏波のみを用いたＳＤＭでは、角度広がりが小さいと伝送特性が大きく劣化することがわかる。また、図１１（Ｂ）より、垂直偏波と水平偏波を用いたＳＤＭでも、ユーザ数が４になると特性が大きく劣化することがわかる。
以上より、ＳＤＭを用いたとしても、ユーザの増加に伴い、伝送特性の劣化が大きくなることがわかる。したがって、高速伝送を実現しながら周波数利用効率を高めるためには何らかの新規技術が必要となる。

本発明は、同一時刻・周波数に複数ユーザを収容可能なＳＤＭＡシステムにおいて、ユーザの要求する伝送速度に応じて端末が送信するアンテナの数を決定し、各端末からの信号が基地局側で干渉しないように、各端末が送信するアンテナを選択することで、端末数が基地局数と同程度になる場合でも、ＳＤＭＡが実現できる適応アレーアンテナによる通信システムおよび通信方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第１のアンテナアレーと、前記各アンテナ素子ごとに接続される第１の送受信装置と、該第１の送受信装置に接続され前記各アンテナ素子からの信号に振幅および位相の重みづけを行った後、合成を行うことでアレー指向性を構成する指向性形成部と、該指向性形成部の振幅および位相を制御する振幅・位相制御部と、から構成される基地局と、Ｍ（Ｍは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第２のアンテナアレーと、前記各アンテナ素子ごともしくはいづれかの前記アンテナ素子に接続される少なくとも１つの第２の送受信装置で構成される２台以上の端末とからなる通信システムにおいて、前記基地局は、前記端末が要求する伝送速度を監視する伝送速度監視部と、前記各端末の信号から前記各端末間の干渉量を求める空間相関測定部と、前記伝送速度監視部において前記各端末から要求される伝送速度を求める処理Ｓ１部と、前記処理Ｓ１部が求めた伝送速度があるしきい値以下となる端末を抽出する処理Ｓ２部と、前記処理Ｓ２部から前記各端末から端末のすべてのアンテナ素子を送信アンテナとして用いる端末を抽出する処理Ｓ３部と、前記処理Ｓ３部で抽出されなかった前記端末のアンテナ素子と、前記処理Ｓ３部で抽出された前記端末のアンテナ素子との間で、前記空間相関測定部において式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となるアンテナ素子を有する前記端末を選択する処理Ｓ４部と、前記処理Ｓ４部で選択された前記端末のアンテナ素子間で、式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となる前記端末のアンテナ素子を選択する処理Ｓ５部とを有することにより、前記各端末が要求する伝送速度と各端末間の干渉量から端末の送信アンテナ素子を決定する端末送信素子決定部を具備し、前記各端末は、前記基地局の前記端末送信素子決定部から命令を受けることで、前記Ｍ本のアンテナ素子よりＪ（Ｊは１以上、Ｍ以下の整数）のアンテナ素子を選択する端末送信素子選択部を具備することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の通信システムにおいて、前記端末は、前記基地局の前記端末送信素子決定部からの命令に基づき、前記端末の前記端末送信素子選択部に送信すべきアンテナ素子を指示する端末送信素子制御部を具備することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の通信システムにおいて、前記第１のアンテナアレーのうち、Ｋ（Ｋは１以上、Ｎ−１以下の整数）本のアンテナ素子は同一の偏波特性を有し、残りのＮ−Ｋ本のアンテナ素子は前記偏波特性と直交する偏波特性を有し、前記第２のアンテナアレーのうち、Ｌ（Ｌは１以上、Ｍ−１以下の整数）本のアンテナ素子は同一の偏波特性を有し、残りのＮ−Ｌ本のアンテナ素子は前記偏波特性と直交する偏波特性を有することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記各端末は、前記基地局から命令を受けずに、前記アンテナ素子の偏波を一定間隔でランダムに送信することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第１のアンテナアレーと、前記各アンテナ素子ごとに接続される第１の送受信装置と、該第１の送受信装置に接続され前記各アンテナ素子からの信号に振幅および位相の重みづけを行った後、合成を行うことでアレー指向性を構成する指向性形成部と、該指向性形成部の振幅および位相を制御する振幅・位相制御部と、端末が要求する伝送速度を監視する伝送速度監視部と、前記各端末の信号から前記各端末間の干渉量を求める空間相関測定部と、前記端末の送信アンテナ素子を決定する端末送信素子決定部と、から構成される基地局と、Ｍ（Ｍは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第２のアンテナアレーと、前記各アンテナ素子ごともしくはいづれかの前記アンテナ素子に接続される少なくとも１つの第２の送受信装置と、前記基地局の前記端末送信素子決定部から命令を受けることで、前記Ｍ本のアンテナ素子よりＪ（Ｊは１以上、Ｍ以下の整数）のアンテナ素子を選択する端末送信素子選択部と、で構成される２台以上の端末と、からなる通信システムの前記基地局で用いられる通信方法であって、前記基地局の前記端末送信素子決定部が、前記伝送速度監視部において前記各端末から要求される伝送速度を求める処理Ｓ１と、前記処理Ｓ１で求めた伝送速度があるしきい値以下となる端末を抽出する処理Ｓ２と、前記処理Ｓ２から前記各端末から端末のすべてのアンテナ素子を送信アンテナとして用いる端末を抽出する処理Ｓ３と、前記処理Ｓ３で抽出されなかった前記端末のアンテナ素子と、前記処理Ｓ３で抽出された前記端末のアンテナ素子との間で、前記空間相関測定部において式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となるアンテナ素子を有する前記端末を選択する処理Ｓ４と、前記処理Ｓ４で選択された前記端末のアンテナ素子間で、式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となる前記端末のアンテナ素子を選択する処理Ｓ５とを具備することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第１のアンテナアレーと、前記各アンテナ素子ごとに接続される第１の送受信装置と、該第１の送受信装置に接続され前記各アンテナ素子からの信号に振幅および位相の重みづけを行った後、合成を行うことでアレー指向性を構成する指向性形成部と、該指向性形成部の振幅および位相を制御する振幅・位相制御部と、から構成される基地局装置と、Ｍ（Ｍは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第２のアンテナアレーと、前記各アンテナ素子ごともしくはいづれかの前記アンテナ素子に接続される少なくとも１つの第２の送受信装置で構成される２台以上の端末とからなる通信システムにおいて用いられる基地局装置であって、前記基地局装置は、前記端末が要求する伝送速度を監視する伝送速度監視部と、前記各端末の信号から前記各端末間の干渉量を求める空間相関測定部と、前記伝送速度監視部において前記各端末から要求される伝送速度を求める処理Ｓ１部と、前記処理Ｓ１部が求めた伝送速度があるしきい値以下となる端末を抽出する処理Ｓ２部と、前記処理Ｓ２部から前記各端末から端末のすべてのアンテナ素子を送信アンテナとして用いる端末を抽出する処理Ｓ３部と、前記処理Ｓ３部で抽出されなかった前記端末のアンテナ素子と、前記処理Ｓ３部で抽出された前記端末のアンテナ素子との間で、前記空間相関測定部において式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となるアンテナ素子を有する前記端末を選択する処理Ｓ４部と、前記処理Ｓ４部で選択された前記端末のアンテナ素子間で、式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となる前記端末のアンテナ素子を選択する処理Ｓ５部とを有することにより、前記各端末が要求する伝送速度と各端末間の干渉量から端末の送信アンテナ素子を決定する端末送信素子決定部を具備する、ことを特徴とする。

本発明によれば、端末の伝送速度を低下させることなく、周波数利用効率を向上させることができる。従って、ＳＩＮＲを向上させることができ、通信の品質を良くすることができる。

図１〜図５を用いて、本発明における実施形態を説明する。図１は、本実施形態によるＳＤＭＡ通信システムを構成する基地局ｂと端末ｍを表わす図である。
本実施形態では、直交する２個の偏波として垂直偏波と水平偏波を用いているが、これは、±45°偏波を用いたり、円偏波（右遷、左遷偏波）を用いてもよい。また、すべてのアンテナの偏波を垂直偏波など同一となってもよい。また、図１の構成では、垂直偏波素子と水平偏波素子を同一の数としているが、垂直偏波素子と水平偏波素子の数を同数とすることに限定するものではない。

図１に示すように、各端末ｍは、アレーアンテナと第２の送受信装置６ｂから構成される。端末アンテナも、基地局ｂと同様に偏波共用アンテナ５を用いている。図１においては、アンテナ素子数を２としているが、これは２に限定するものではない。また、アンテナの偏波も、垂直偏波と水平偏波に限定するものではない。

基地局ｂは、端末ｍの必要とする伝送速度と端末間の干渉量を相関値に基づき、端末送信素子決定部９において、送信するアンテナの本数を決定する。また、各端末ｍは基地局ｂから命令を受けて、端末送信素子選択部１０において、送信するアンテナ素子を選択する。例えば、図１の場合は、伝送速度が高い端末ｍ_１に対しては、２本のアンテナの両方から同時に信号を送信するＳＤＭ構成となるように基地局ｂから端末ｍ_１に命令を送る。

また、伝送速度の低い端末（端末ｍ_２、ｍ_３、ｍ_４）は、伝送速度の高い端末ｍ_１と空間的に干渉しないように送信するアンテナを決定する。図では、端末ｍ_２と端末ｍ_３は基地局ｂから見た到来角度差が異なるため、同一の垂直偏波素子を用いて送信する。一方、端末ｍ_３、ｍ_４は基地局ｂから見た到来角度差が小さくなるため、同一偏波でのユーザ分離が困難となる。そこで、端末ｍ_３と端末ｍ_４の送信偏波を異なった偏波にすることで、端末ｍ_３と端末ｍ_４に対しては、直交する偏波の振幅差と位相差を用いてこれらを分離する。
したがって、本実施形態を用いることで、端末ｍの伝送速度を低下させることなく、周波数利用効率を向上させることができる。

図２は、本発明の基地局ｂの構成例を表わす図面である。基地局ｂは、Ｎ素子の適応アレーアンテナ１ａ（垂直偏波素子１ａ_ｖ、水平偏波素子１ａ_ｈ）と、アンテナ毎に接続される第１の送受信装置６ａと、各アンテナに入力される信号に重みづけを行った信号を合成する指向性形成部８（８ａ〜８ｄ）と信号処理部１１からなる。
図２では、適応アレーアンテナ１ａが６素子の場合の構成を示しているが、この場合に限定されるものではない。アンテナ素子も垂直偏波素子１ａ_ｖおよび水平偏波素子１ａ_ｈが３素子ずつあるが、これらの数に限定されるものではない。また、図２において、指向性形成部８（８ａ〜８ｄ）の数を４としているが、これは、ユーザ数がＫとすると、Ｋ個必要となる。

また、基地局ｂでは端末ｍが送信するアンテナを決定するために、信号処理部１１に以下に説明する部分を有する。図２に示すように、各端末の１本のアンテナ素子から個別に送信される信号を監視する伝送速度監視部１２と、この伝送速度監視部１２で得られた前記各端末ｍ間の信号より前記各端末ｍ間の相関値を求める空間相関測定部１３を有する。また、伝送速度監視部１２と空間相関測定部１３で得られた結果に基づき前記各端末ｍの送信すべきアンテナを決定する端末送信素子決定部９を備えている。

図３は、基地局ｂに接続される端末ｍであり、この端末ｍは少なくとも２以上存在し、各端末ｍは、Ｍ素子のアレーアンテナ５（垂直偏波アンテナ５ｖ、水平偏波アンテナ５ｈ）と、少なくとも１個の第２の送受信装置６ｂと、Ｍ素子のうちの少なくとも１本のアンテナから信号が送受信できるように使用するアンテナと送受信装置を選択する端末送信素子選択部１０と、どのアンテナ素子を送信用素子として用いるかを選択する端末送信素子制御部１４からなる。この端末送信素子制御部１４は、基地局ｂにおける端末送信素子決定部９（図２）から命令を受けて動作する。

図４は、本実施形態における端末ｍの送信用アンテナ素子を決定するための制御方法を示す。最近の通信システムでは、ユーザの要求する通信状況を考慮し、基地局ｂと端末ｍの通信が行われる。すなわち、各ユーザは、データ伝送や音声通信などの用途に応じて必要となる通信速度が異なる。
本制御方法では、各端末が要求する伝送速度とＳＤＭＡを行う際に問題となる端末間の干渉量を測定し、端末の要求する伝送速度を満たしながら各端末ｍ間の干渉が小さくなるような制御を基地局ｂ側で行うものである。以下、図４のフローチャートに従い、説明を行う。

まず、ステップＳ１では、端末ｍから要求される伝送速度を図２の伝送速度監視部１２で測定し、端末の要求伝送速度を把握する。また、ステップＳ２では、伝送速度のしきい値αを儲け、このしきい値に応じて図２の端末送信素子決定部９において端末ｍが送信するアンテナの素子数の候補を決定する。また、ステップＳ３では、伝送速度がこのしきい値αより大きければ、端末の全素子を用いて送信するように基地局ｂから端末ｍに命令する。このしきい値αは、１本の端末アンテナで送信した場合の伝送速度をＴとすると、以下の式（２）のように与えられる。

すなわち、αは端末アンテナ素子全部を使えばＳＤＭにより所望の伝送速度が実現できる値に設定する。
ステップＳ３で選択された端末は、全部のアンテナ素子を用いてＳＤＭ送信を行う。ステップＳ３で選択されなかった端末は、ステップＳ４およびＳ５に示すように他の端末と干渉しないようなアンテナ素子を選択して送信を行う。
ステップＳ４では、まずステップＳ３で選択された端末は全アンテナ素子を用いてＳＤＭ送信を行うので、ステップＳ３での選択端末が他の端末と干渉しないように、ステップＳ３で選択されなかった端末とステップＳ３で選択された端末間の干渉量を測定し、干渉が生じない素子をステップＳ３で選択されなかった端末の送信すべき素子の候補とする。

干渉量の測定は、ユーザの分離尺度として用いられる空間相関ρを図２の空間相関測定部１３で測定し、この空間相関ρをもとに、この空間相関ρがあるしきい値βより小さくなるアンテナ素子をステップＳ３で選択されなかった端末の送信すべき素子の候補とする。空間相関ρは以下の式（３）で与えられる。

ただし、式（３）において、Ｆ_ｋ＝［Ａ_１，Ａ_２，・・・，Ａ_Ｎ］であり、Ａ_ｉ（ｉは１からＮまでのいずれかの整数）は端末ｋから送信したｉ番目の基地局アンテナで受信した振幅・位相を表している。また、Ｆ_ｍ＝［Ｂ_１，Ｂ_２，・・・，Ｂ_Ｎ］であり、Ｂ_ｉは端末ｍから送信したｉ番目の基地局アンテナで受信した振幅・位相を表している。
ただし、式（３）において、演算Ｆ_ｋ・Ｆ^＊ _ｍはベクトルの内積を表している。

しきい値βの値は、一般に0.9程度の値が用いられる。
最後に、ステップＳ５において、ステップＳ４で選択された端末ｍ間のアンテナ素子で空間相関ρを求め、各端末が干渉しないようなアンテナ素子を選択する。
以上、図４におけるステップＳ１〜Ｓ５の制御を行い、この結果を図２の端末送信素子決定部９を通じて端末に送信すべき素子を命令することで、端末の要求する伝送速度を満たしながら各端末間の干渉が小さくなるような端末の送信すべきアンテナ素子を決定することができる。

従来のＳＤＭＡのチャネル割り当てでは、伝送速度という尺度で使用するアンテナ素子数を決定する規範を設けていないため、全端末のすべてのアンテナ間で空間相関を求める必要があり、アンテナ素子数と端末数の増加により空間相関ρを求める計算量が増大する。
一方、本実施形態の手法では、端末の要求する伝送速度に応じて、最低限必要となるアンテナ素子数を決定した上で、各端末が干渉しないように送信する端末アンテナ素子を決定するため、全端末のすべてのアンテナで空間相関ρを求める必要がなく、空間相関ρの演算量削減の観点からも有効である。

図１で説明した実施形態では、すべて、端末ｍの送信用アンテナ素子は、基地局ｂから決定される構成となっていた。しかしながら、基地局ｂ側で端末ｍの送信用アンテナ素子を決定する場合は、端末ｍの送信用アンテナ素子を決定し、決定した送信用アンテナ素子を端末ｍに命令するまでに生じる伝搬環境などの変化に追従する必要がある。

伝送速度監視部１２と、空間相関測定部１３を基地局ｂではなく、端末ｍ側に設けて、送信するアンテナ素子を決定する機構を端末ｍ側に設けることが考えられる。例えば、送信と受信が同一周波数で実現されるＴＤＤ（Time Division Duplex）システムでは、端末ｍから基地局ｂへ送る信号と、基地局ｂから端末ｍに送る信号の伝搬特性は同一とみなすことができる。端末ｍの送信用アンテナ素子を決定するためには、基地局ｂでの方法と同様に、基地局ｂから送信される信号を受信し、この受信信号から空間相関を測定することにより決定することができる。

先に示した問題点を解決するために、各端末ｍは、基地局ｂから命令を受けずに、アンテナ素子の偏波を一定間隔でランダムに送信する。方法としては、ある一定間隔で垂直偏波、水平偏波といったように、垂直偏波と水平偏波を交互に送信する。これによって、端末ｍの送信アンテナを決定するための制御を不要とすることができ、制御回路を除去できるという利点を有する。

図５は上記実施形態の効果の一例を示す図である。基地局アンテナ素子数を４とし、素子間隔を0.5λとした。端末数を４とし、各端末アンテナの素子数は２とし、素子間隔は0.5λとした。端末アンテナの伝送速度比は＃１：＃２：＃３：＃４＝４：２：１：１とした。また、ＳＤＭＡの際のチャネル割り当てを図に示す。ここでは、従来構成では、ユーザ＃１が使用する端末のみ必ずＳＤＭが必要であるとし、他のユーザ＃２〜＃４が使用する端末はＳＤＭＡでユーザ分離するものとした。本実施形態では、ユーザ＃１が使用する端末のみＳＤＭ送信とし、他のユーザ＃２〜＃４が使用する端末は、本実施形態による制御方法により送信するアンテナを決定した。到来波はランダム位相の波を100波発生させた。１素子あたりの入力ＳＮＲを20dBとした。変調信号は、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）とした。伝搬路の交差偏波識別度は５dBとした。

図５は、各端末のＳＩＮＲの累積確率20％値を示している。図より、従来のＳＤＭＡでは、ユーザ＃１が使用する端末の伝送特性が大きく劣化していることがわかる。また、垂直・水平偏波のＳＤＭＡを用いてもＳＩＮＲが数dB程度しか得られないことがわかる。
これに対し、本実施形態では、端末の伝送速度に関係なく、ＳＩＮＲが14dB以上得られており、基地局の素子数が端末数と等しくなる環境でも十分にＳＤＭＡが実現できることが確認できる。

端末数が基地局数と同程度になる場合でも、ＳＤＭＡが実現できる適応アレーアンテナによる通信システムおよび通信方法を提供する。

本発明の一実施形態による通信システムを表す図面である。同実施形態における基地局アンテナの構成を表わす図面である。同実施形態における端末アンテナの構成を表わす図面である。同実施形態における端末送信アンテナを決定するフローチャートを表わす図面である。同実施形態の効果を表す図面である。ＳＤＭＡの概念を表わす図面である。従来の適応アレーアンテナを表わす図面である。適応アレーアンテナをＳＤＭＡに適用した場合の図面である。ＳＤＭの概念を表わす図面である。従来技術（ＳＤＭＡ）の問題点を表わす図面である。従来技術（ＳＤＭ)の問題点を表わす図面である。

符号の説明

１ａ、１ｂ・・・適応アレーアンテナ
２・・・周波数変換器
３・・・Ａ／Ｄ変換器
４ａ、４ｂ・・・指向性制御部
５・・・偏波共用アンテナ
６ａ、６ｂ・・・送受信装置
７・・・振幅・位相制御部
８・・・指向性形成部
９・・・端末送信素子決定部
１０・・・端末送信素子選択部
１１・・・信号処理部
１２・・・伝送速度監視部
１３・・・空間相関測定部
１４・・・端末送信素子制御部
ｂ・・・基地局
ｍ・・・端末

Claims

Ｎ（Ｎは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第１のアンテナアレーと、
前記各アンテナ素子ごとに接続される第１の送受信装置と、
該第１の送受信装置に接続され前記各アンテナ素子からの信号に振幅および位相の重みづけを行った後、合成を行うことでアレー指向性を構成する指向性形成部と、
該指向性形成部の振幅および位相を制御する振幅・位相制御部と、
から構成される基地局と、
Ｍ（Ｍは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第２のアンテナアレーと、
前記各アンテナ素子ごともしくはいづれかの前記アンテナ素子に接続される少なくとも１つの第２の送受信装置で構成される２台以上の端末と
からなる通信システムにおいて、
前記基地局は、
前記端末が要求する伝送速度を監視する伝送速度監視部と、
前記各端末の信号から前記各端末間の干渉量を求める空間相関測定部と、
前記伝送速度監視部において前記各端末から要求される伝送速度を求める処理Ｓ１部と、前記処理Ｓ１部が求めた伝送速度があるしきい値以下となる端末を抽出する処理Ｓ２部と、前記処理Ｓ２部から前記各端末から端末のすべてのアンテナ素子を送信アンテナとして用いる端末を抽出する処理Ｓ３部と、前記処理Ｓ３部で抽出されなかった前記端末のアンテナ素子と、前記処理Ｓ３部で抽出された前記端末のアンテナ素子との間で、前記空間相関測定部において式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となるアンテナ素子を有する前記端末を選択する処理Ｓ４部と、前記処理Ｓ４部で選択された前記端末のアンテナ素子間で、式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となる前記端末のアンテナ素子を選択する処理Ｓ５部とを有することにより、前記各端末が要求する伝送速度と各端末間の干渉量から端末の送信アンテナ素子を決定する端末送信素子決定部を具備し、
前記各端末は、前記基地局の前記端末送信素子決定部から命令を受けることで、前記Ｍ本のアンテナ素子よりＪ（Ｊは１以上、Ｍ以下の整数）のアンテナ素子を選択する端末送信素子選択部を具備する
ことを特徴とする通信システム。
前記端末は、前記基地局の前記端末送信素子決定部からの命令に基づき、前記端末の前記端末送信素子選択部に送信すべきアンテナ素子を指示する端末送信素子制御部を具備する
ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
前記第１のアンテナアレーのうち、Ｋ（Ｋは１以上、Ｎ−１以下の整数）本のアンテナ素子は同一の偏波特性を有し、
残りのＮ−Ｋ本のアンテナ素子は前記偏波特性と直交する偏波特性を有し、
前記第２のアンテナアレーのうち、Ｌ（Ｌは１以上、Ｍ−１以下の整数）本のアンテナ素子は同一の偏波特性を有し、
残りのＮ−Ｌ本のアンテナ素子は前記偏波特性と直交する偏波特性を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信システム。
前記各端末は、前記基地局から命令を受けずに、前記アンテナ素子の偏波を一定間隔で
ランダムに送信することを特徴とする請求項１から請求項３に記載の通信システム。
Ｎ（Ｎは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第１のアンテナアレーと、
前記各アンテナ素子ごとに接続される第１の送受信装置と、
該第１の送受信装置に接続され前記各アンテナ素子からの信号に振幅および位相の重みづけを行った後、合成を行うことでアレー指向性を構成する指向性形成部と、
該指向性形成部の振幅および位相を制御する振幅・位相制御部と、
端末が要求する伝送速度を監視する伝送速度監視部と、
前記各端末の信号から前記各端末間の干渉量を求める空間相関測定部と、
前記端末の送信アンテナ素子を決定する端末送信素子決定部と、
から構成される基地局と、
Ｍ（Ｍは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第２のアンテナアレーと、
前記各アンテナ素子ごともしくはいづれかの前記アンテナ素子に接続される少なくとも１つの第２の送受信装置と、
前記基地局の前記端末送信素子決定部から命令を受けることで、前記Ｍ本のアンテナ素子よりＪ（Ｊは１以上、Ｍ以下の整数）のアンテナ素子を選択する端末送信素子選択部と、
で構成される２台以上の端末と、
からなる通信システムの前記基地局で用いられる通信方法であって、
前記基地局の前記端末送信素子決定部が、
前記伝送速度監視部において前記各端末から要求される伝送速度を求める処理Ｓ１と、
前記処理Ｓ１で求めた伝送速度があるしきい値以下となる端末を抽出する処理Ｓ２と、
前記処理Ｓ２から前記各端末から端末のすべてのアンテナ素子を送信アンテナとして用いる端末を抽出する処理Ｓ３と、前記処理Ｓ３で抽出されなかった前記端末のアンテナ素子と、前記処理Ｓ３で抽出された前記端末のアンテナ素子との間で、前記空間相関測定部において式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となるアンテナ素子を有する前記端末を選択する処理Ｓ４と、
前記処理Ｓ４で選択された前記端末のアンテナ素子間で、式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となる前記端末のアンテナ素子を選択する処理Ｓ５とを具備する
ことを特徴とする通信方法。
Ｎ（Ｎは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第１のアンテナアレーと、
前記各アンテナ素子ごとに接続される第１の送受信装置と、
該第１の送受信装置に接続され前記各アンテナ素子からの信号に振幅および位相の重みづけを行った後、合成を行うことでアレー指向性を構成する指向性形成部と、
該指向性形成部の振幅および位相を制御する振幅・位相制御部と、
から構成される基地局装置と、
Ｍ（Ｍは２以上の整数）本のアンテナ素子が配列された第２のアンテナアレーと、
前記各アンテナ素子ごともしくはいづれかの前記アンテナ素子に接続される少なくとも１つの第２の送受信装置で構成される２台以上の端末と
からなる通信システムにおいて用いられる基地局装置であって、
前記基地局装置は、
前記端末が要求する伝送速度を監視する伝送速度監視部と、
前記各端末の信号から前記各端末間の干渉量を求める空間相関測定部と、
前記伝送速度監視部において前記各端末から要求される伝送速度を求める処理Ｓ１部と、前記処理Ｓ１部が求めた伝送速度があるしきい値以下となる端末を抽出する処理Ｓ２部と、前記処理Ｓ２部から前記各端末から端末のすべてのアンテナ素子を送信アンテナとして用いる端末を抽出する処理Ｓ３部と、前記処理Ｓ３部で抽出されなかった前記端末のアンテナ素子と、前記処理Ｓ３部で抽出された前記端末のアンテナ素子との間で、前記空間相関測定部において式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となるアンテナ素子を有する前記端末を選択する処理Ｓ４部と、前記処理Ｓ４部で選択された前記端末のアンテナ素子間で、式（１）で与えられる空間相関ρを演算し、該空間相関ρがあるしきい値以下となる前記端末のアンテナ素子を選択する処理Ｓ５部とを有することにより、前記各端末が要求する伝送速度と各端末間の干渉量から端末の送信アンテナ素子を決定する端末送信素子決定部を具備する、
ことを特徴とする基地局装置。