JP4053265B2 - 無線通信用アダプティブアレイ及びアダプティブアレイを用いた無線通信システム - Google Patents
無線通信用アダプティブアレイ及びアダプティブアレイを用いた無線通信システム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に無線通信システムの無線送受信装置に用いる無線通信用アダプティブアレイ及びアダプティブアレイを用いた無線通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アダプティブアレイは、所定形状に配置された複数のアンテナ素子と増幅装置や指向性ビーム制御装置、および無線送受信回路との入出力機能などを備えたアンテナ装置である。各アンテナ素子の出力に対して重み係数を乗じることで重み付けを行い、その重み係数を制御することで指向性の変更を可能としている。近年、無線通信システムの基地局や半固定の端末局に、指向性特性が適宜変えられるこのアダプティブアレイが使用される場合がある。
【０００３】
このようなシステムでは、同時に同一の周波数を使用して複数の通信相手と送受信するためにSDMA(Space Division Multiple Access)と呼ばれる既存の技術を用いる場合がある。SDMAには同時に複数のアンテナ指向性を合成することができる無線通信用アダプティブアレイを用いる。アダプティブアレイは、それぞれのアンテナ指向性に対応する送受信信号を、無線送受信回路との間で処理する。
【０００４】
まず従来の方法による無線通信システムについて説明する。サービスエリア内に存在する複数の通信端末と通信を確立するための基本的な方法として、TDMA(Time Division Multiple Access)、時分割多元接続方法を用いている。ここで言う時分割とは通信に使用される通信パケットのフレームを時間軸で分割することをいう。この様子を図９に示す。図９ではセクター７０１をサービスエリアに持つ無線局１０１と通信端末１０３、１０４、１０５がエリア内に存在している。
【０００５】
図９では無線通信用アダプティブアレイを、制御情報を含む制御フレームと通信フレームの両方の送受信に用いている。制御フレームと通信フレームをサービスセクタ７０１に存在する通信端末全てに送るために、セクタービームＣＢ−Ｃ状のアンテナ指向性を用いる。例ではアダプティブアレイ１０２が作り出すセクタービーム状のアンテナ指向性が、セクター７０１を一様にカバーしている様子を示している。
【０００６】
無線局１０１がサービスエリア内に存在する全通信端末に対し制御フレームを送る時は、図９に示す制御フレームの部分を利用して全通信端末に対し同時に送信される。次に個々の通信端末との通信フレームを送受信する時には、制御フレームに続く時分割された通信フレームを使用して行なわれる。図９の例では３つに時分割された通信フレームの最初のフレームで通信端末１０３が、そして次のフレームで１０４が送受信している。この方法によれば、サービスエリア内の全ての通信端末に一度に制御信号を含む制御フレームを送ることがきる。そして時間間隔を置いて通信相手を入れ替えることで、各通信フレームについてそれぞれの通信相手との多元通信環境を得ることができる。
【０００７】
しかしながらTDMA方式ではサービスエリア内で同時にサービスできる通信端末の数は、時分割された個々のフレームの分割数に制限を受けてしまう。また送信時、広範なエリア全てに常に十分な電界強度を発生させねばならないことから、常に大きな送信時電力も必要である。これが従来型TDMA方式の欠点である。
【０００８】
次にTDMAにSDMAを併用したTDMA/SDMAを用いる従来の無線通信システムについて説明する。SDMAを適用すると、無線局から見て異なる方向に存在する通信端末であれば同時に同一周波数を使用した通信（多重通信）が行なえるようになる。図７および図８は、上記方法による無線通信システムの典型的な一実施形態である。図７に示されている無線局等は図９と同様のため、説明を省略する。
【０００９】
無線局１０１に備えられたアダプティブアレイ１０２は、同時に複数のアンテナ指向性を合成する。図７ではビームＡ７０３がカバーする範囲と、これとは重なり合うことのないビームＢ７０２がカバーする範囲を合成している。ビームが実質的に互いに重なり合うことがないという意味は、これらが重なり合わないように互いのビームの方向を意図的に制御するという意味である。ビームの広がりや重み係数誤差などにより、その一部が重なり合っても現実には差し支えない。たとえばその重なり合っている部分に、少数の通信端末しか存在しないのであれば、現実に問題は生じない。
【００１０】
また、このときの指向性を合成するとは、複数のアンテナ指向性に捕らえられるそれぞれの送受信信号を、無線局１０１の無線送受信回路との間で同時に入出力することをいう。たとえば通信端末１０３と通信端末１０５のような、無線局１０１からみて存在方向の異なる通信端末との送受信を、同一周波数で同時に行なえる。通信端末１０３をビームＡ７０３がカバーし、通信端末１０５をビームＢ７０２がカバーしている様子を、図７に示す。
【００１１】
図７では２つのアンテナ指向性と３つに分割したフレームの最初のフレームを使用して、通信端末１０３、１０５との通信を行なっている。次の図８では時分割した次のフレームのタイミングで、ビームＢ７０２を変化させている。図８には変化後のアンテナ指向性の状態を示している。図７では通信端末１０３（＃３）をカバーしていたビームＢ７０２が、図８では通信端末１０２（＃２）をカバーするビームＢ８０２へと変化している。これによりビームＢのカバー範囲に位置する通信端末１０４は無線局１０１と通信ができるようになる。このときのビームの変化は、当該無線局１０１が同一フレームタイミングの中で形成するいずれのビームとも重なり合うことがないように制御される。このように一つのアンテナ指向性を時分割で変化させることにより、より多くの通信端末との通信を可能とする。
【００１２】
しかしながら、この通信方法は散在する通信端末に信号を送受信する際には問題を生ずる。SDMAを用いる無線通信用アダプティブアレイは、指向性方向が異なるそれぞれの指向性が作るビームの幅を、一般に狭く設定している。狭いビームならば隣り合うビームとの干渉を避けることができ、通信の多重化に有利となるからである。狭い幅のビームで散在する全ての通信端末に送受信するには、指向性パターンを何度も変え、その都度送受信を繰り返さねばならない。通信端末がサービスエリア内にあったとしても、その送受信の瞬間におけるアンテナの指向性方向にあたらなければ、該通信端末は所望のパケットを受信できないし、または送信した電波が無線局に捕らえられることもない。それが通信端末の通信開始のためのパケットであったならば、当然として通信が開始できない。これが第１の問題点である。
【００１３】
SDMAの利点を捨て、広い範囲をカバーするビームを適用すれば、上述のような問題は緩和される。しかしそれは無線局の受信時において、次のような新たな問題を生む可能性がある。それは制御信号を含む通信パケット信号を受信した各通信端末が、一斉に応答を返す場合などである。このような場合には無線局が端末局からの信号を正常に受信できる確率が低くなる。複数の通信相手からの通信パケットが時間的に重なり合うとそれらのパケット同士が衝突を起こす。衝突したデータは受信されることなく破棄されてしまうため、再度の送信が必要となる。これが通信確立のための信号であった場合、失われた信号を再送した後でなければ通信が開始できない。これが頻繁に発生すると通信の開始が極端に遅れる場合がある。これが従来の、TDMA、TDMA/SDMAを用いた場合の第２の問題点である。
【００１４】
一つのアダプティブアレイでビーム幅の広いビームと、狭いビームを併用する方法は技術的には次の問題も含んでいる。上記のように幅の広いビームと狭いビームの両方を同一のアダプティブアレイで合成させると、一般には利得面で差が生じる。セクタービーム状の角度の広い指向性パターンを発生させると、アダプティブアレイの中央付近のアンテナ素子に大きな振幅ウェイトを励起する。よってそのほかのアンテナ素子のウェイトを落とすこととなり、セクタービームの指向性利得が落ちてしまう。この利得差は、一般にビーム幅の差に大きく依存する。したがって通信可能範囲として確保できるサービスエリアは、セクタービーム側の指向性利得によって決まってしまう。
【００１５】
利得を落としたくないためにアダプティブアレイに加え、高利得のセクターアンテナを併設する場合もある。セクターアンテナは比較的広範な指向性範囲を持ったアンテナである。制御信号を含む制御フレームの送受信には併設した高利得のセクターアンテナを用い、個々の通信端末との通信フレームの送受信にはアダプティブアレイを使用する。通常、この２つのアンテナはマイクロ波スイッチで切り替えて通信設備と接続される。これらの構成では切り替えのための設備が大きくなる上に、互いのアンテナ同士の相互結合を低減する目的で、アンテナ間に距離をおくことも必要である。よって設置のために広い占有空間が必要になる。これが第３の問題点である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
既述したように、従来のTDMAにSDMAを適用すると多くの利点がある反面、既述の通り多くの問題点も発生する。
したがって本発明では、上記問題を克服し、無線局と通信端末局間のパケット通信におけるTDMA/SDMA通信を行なうことができるアダプティブアレイおよびアダプティブアレイを用いた無線通信システムを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、無線局を取り囲む全方向あるいはその一部をサービスエリアとする無線局の無線通信用アダプティブアレイにおいて、実質的に互いに重なり合うことのない複数の狭いビーム状のアンテナ指向性を合成する手段と、前記それぞれのアンテナ指向性に対応する送受信信号を無線送受信回路との間で入出力する手段と、を持つ無線通信用アダプティブアレイであって、データフレーム送受信時とは別に制御フレーム内の制御信号を含む通信パケット信号の送受信時には、少なくとも２以上の前記狭いビーム状のアンテナ指向性よりも広い、実質的に互いに重なり合うことのないセクター状のビームによって分担して前記サービスエリア全体を同時にカバーするように、前記それぞれのアンテナ指向性を操作する手段と、前記サービスエリア内のある通信相手からの制御フレーム内の通信パケット信号を、前記サービスエリアを分担してカバーするセクター状のアンテナ指向性のうちの１のアンテナ指向性で受信した場合において、該通信相手から得られた受信信号に対し高分解能信号処理を行う手段と、前記高分解能信号処理によって得られる解のうち該通信相手からの通信パケット信号を受信したアンテナ指向性の範囲内に存在する解から該通信相手が存在する方向を推定する手段と、を備えることを特徴とする無線通信用アダプティブアレイが提供される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明していく。
図１は第１の発明の無線通信用アダプティブアレイを用いた無線通信システムの一実施形態を示している。
【００２０】
基地局１０１が具備する無線通信用アダプティブアレイ１０２は、基地局１０１を取り囲む全方向あるいはその一部のサービスエリア内でSDMAによる通信を端末局１０３、１０４、１０５との間で行なう。図１では、サービスエリアの一部がアダプティブアレイ１０２により形成されたセクタービームＣＢ−Ａでカバーされ、他の一部はセクタービームＣＢ−Ｂによりカバーされる。アダプティブアレイ１０２は同時に複数のアンテナ指向性を合成し、それぞれのアンテナ指向性に対応する送受信信号を、無線局に設置された送受信制御回路との間で入出力する構成を有している。上記アダプティブアレイの受信部分は、例えば図２に示したような構成を持つDBFアレイなどを用いてSDMAを実現できる。
【００２１】
アレイアンテナ２０１は複数のアンテナ素子を直線状あるいは円形状といった所定形状に配列して構成される。アレイアンテナ２０１の各アンテナ素子の出力信号はフィルタ（例えば、帯域通過フィルタ）２０２により不要成分が除去され、さらに低雑音増幅器（LNA）２０３により増幅された後に乗算器２０６に入力される。そしてローカル発振器２０４から分配器２０５を介して供給されるローカル信号と乗算されることにより、周波数変換される。乗算器２０６の出力はフィルタ２０７により不要成分が除去され、直交復調器２０８により復調された後、Ａ／Ｄ変換器２０９によりデジタル信号に変換される。フィルタ２０２、低雑音増幅器２０３、乗算器２０６、ローカル発信器２０４、分配器２０５、フィルタ２０７、およびＡ／Ｄ変換器２０９はアレイアンテナ２０１のアンテナ素子数と同数個設けられる。
【００２２】
この後、セクタービームＣＢ−Ａの処理を行なう回路２１６ａとセクタービームＣＢ−Ｂの処理を行なう回路２１６ｂがそれぞれに続く。Ａ／Ｄ変換器２０９から出力されるデジタル信号は、まず複素乗算器２１０に入力される。そこで振幅および位相についての重み係数（複素重み係数）が乗じられ、その出力は加算器２１１により加算処理される。この出力が検波回路２１２によって復調されビーム制御回路２１４へと導かれる。ビーム制御回路２１４にはさらにＡ／Ｄ変換器２０９からのディジタル信号と受信制御回路２１５からの信号も入力されており、これらの情報から複素乗算器２１０に対する重み係数が決定される。この重み係数を適切に取ることによってどのようなアンテナ指向性になるかが決まる。復調された信号は通信端末からの受信信号として受信制御回路２１５へ接続され、通信データとして使用される。また受信制御回路２１５からビーム制御回路２１４への信号によって、複素乗算器２１０に与えられる重み係数を操作しアンテナ指向性のビームパターンを操作することができる。
【００２３】
この実施形態の無線通信アダプティブアレイ１０２では、制御フレームにおいて基地局１０１のサービスエリア全体を、互いに異なる指向性を有する複数のセクタービームで分担してカバーする。図１では基地局１０１のサービスエリア全体を、セクタービームＣＢ−Ａを持つアンテナ指向性とＣＢ−Ｂを持つアンテナ指向性の２つのビームで実質的に互いに重なり合うことなく、かつくまなくカバーしている状態を表している。既述したように、これらのビームは重なり合う部分があってはならないという意味ではなく、あくまで異なるアンテナ指向性によってという意味に解釈されなければならない。その重なり合う部分に含まれる端末局が、問題が生じない程度の数しか存在しないのでれば事実上差し支えない。上記動作は主に、サービスエリア内に存在する全端末局との間で同時に送受信する必要のある、制御信号を含む制御パケット信号の一斉送受信の際に行なわれる。一方、個々の端末局との間でやり取りされる通信フレームの送受信時には、セクタービームよりも狭いビームにより通信が行なわれる。
【００２４】
セクタービームとする場合または狭いビームとする場合でも上記構成に変更は必要ない。どのようなビームパターンのアンテナ指向性を与えるかは、ビーム制御回路２１４が複素乗算器２１０に伝達する重み係数によって制御される。制御フレームの送受信の際はセクタービームパターンとなる重み係数値、通信フレームの際は狭いビームパターンとなる重み係数がビーム制御回路２１４よりそれぞれ与えられる。これまでの説明は、第１の実施形態となる。
【００２５】
この機能を具備することにより、別途オムニ指向性アンテナやセクターアンテナを設置することもなく、さらにはそれらを切り替えるためのマイクロ波スイッチを備える必要も無くなる。広範なサービスエリアを、上記アンテナが使用するセクタービームより狭い複数のセクタービームで構成すると、次のようなメリットが受容できる。
【００２６】
（１）一つのセクタービームに含まれる端末局の総数を減らすことができ、制御信号を含む制御パケットの衝突率を低減できる。
【００２７】
（２）１のアダプティブアレイによる、比較的狭い範囲をカバーする本実施形態のセクタービームの利得と、通信フレームの送受信に使用される狭いビームとの間の利得差を小さくできる。よって基地局１０１のサービスエリアのセル半径を広く取れる。セル半径が広く取れると、より遠くの端末局をサービスすることもできる。
【００２８】
（３）端末局のサービスエリア内での存在方向を推定するのに要する時間の短縮ができる。
【００２９】
なお本実施形態ではサービスエリアを２つのセクタービームで全体を覆う場合を示したが、３つ以上のビームを用いることも同様の方法で実施が可能である。同時に張るビーム数が増えれば、同時に通信が可能な端末局の数を増やせる可能性もある。
【００３０】
（各アンテナ指向性のビーム幅の変更）
前述したような、実質的に互いに重なり合わない複数のセクタービームでサービスエリアを分割してカバーするとき、必ずしもそれぞれが均等に分割された範囲をカバーしなければならないということはない。例えばセクター内の端末局の分布が一様ではなく偏りがある場合、図３に示すようにビーム幅を変化させても良い。端末局が密に分布する範囲（図ではＣＢ−Ａを想定）の方をより狭いセクタービームとし、他のビーム（同じくＣＢ−Ｂ）でＣＢ−Ａの範囲外となった範囲を含んでカバーする。ビーム幅を不均一にすることで、各ビームでサービスする可能性のある端末局の数をほぼ同じ程度にし、トラフィックの均一化とサービスエリア内でのパケットの衝突率を最小化することができる。これが第２の実施形態である。
【００３１】
第３の実施形態として、各セクタービームが分担する範囲を変更するために、過去の制御フレームでの通信パケット信号の受信頻度情報を用いることも考えられる。これはセクタービームで受けた制御フレームの通信パケット信号の受信頻度は、そのセクター内に存在する端末局の存在数にほぼ比例すると考えられるからである。このように構成するとパケットの衝突率管理やトラフィックの均一化を自動的に行なわせることも可能である。
【００３２】
携帯電話のセルラーシステムや無線ＬＡＮなどでは、通信の開始時やハンドオーバーの際にランダムアクセスを行なう。通信端末が無線局等の間に確立している接続を別の無線局に切り替えることをハンドオーバーという。切り替えに当たって通信端末は適切な無線局との間に接続を確立するため、制御信号やパケット通信信号のやり取りを行なう。このとき、通常の通話状態とは異なる送受信が行なわれる。このときの通信に使用される方法が、ランダムアクセスと呼ばれる手法である。
【００３３】
ここで行なわれる一連のやり取りを、パケット通信を利用した具体的な無線LANシステムであるMMAC(Multimedia Mobile Access Communication system)を例にとって説明する。MMACとは日本で標準化が進められている５GHｚ帯無線アクセスシステムでTDMA/TDD方式を採用している。
【００３４】
TDMA/TDD方式では送受信の際の物理チャネル構成、つまりMACフレーム構成は図１０のMACフレーム１００１のようになる。MAC(Media Access Control)は国際標準化機構(ISO)が制定するOSI(Open System Interconnection)参照モデルのデータリンク層の下位に相当する。MACはフレームの送受信方法の形式、誤り検出方法などを規定する。フレームはデータの送受信単位のことである。
およそ２msec毎にMACフレーム１００１のフォーマットで、基地局と端末局間で上り／下りリンク(DL data/UL data)の信号送受信を行なう。
【００３５】
先頭のBCHは、フレーム毎、セクター毎の運用情報を報知するために使用される。次のFCHは前述MACフレームの構造に関する情報を通知するために使われる。また端末局から通信を開始するときにはランダムアクセスという方法が使われるが、そのためのリソース要求を行なうのがRCHの部分である。RCHで要求された結果は、以降のフレームのACHによって基地局から端末局に通知がなされる。
【００３６】
無線LANにおいては周波数利用効率を向上されるためにSDMAを採用することは非常に有効となる。これは空間的に離れた通信端末に対して同一の周波数/時間を割り当てることができるからである。特にMMACのような２０GHｚという広帯域の信号を取り扱うシステムに適している。広帯域ゆえに数少ないチャネルリソースしか割り当てられないことが多く、この技術によりシステム容量の増大が期待できる。
【００３７】
従来のMMACのMACフレーム１００１にSDMAを適用した場合、MACフレーム１００２のようなフレーム構成とすることでユーザを多重化することができる。しかしながらこのようなフレーム構成であるかぎり、端末局から通信を開始する際に使用されるRCHが多重化されない。これはSDMA多重度数が大きくなってくると、端末局のランダムアクセスによるRCHのリソース要求が集中する結果を招く。このためパケットの衝突が起こり易くなり、特に基地局との通信確立の際に問題が大きい。SDMAを用いた場合であっても、これらの影響をできうる限り排除できることが望ましい。
【００３８】
図６は前述した発明の構成例である。複数のセクタービームで基地局のサービスエリアをカバーする１つの無線通信用アダプティブアレイであって、各々のビーム幅を可変とする構成の一例を表している。例では３本のアンテナ素子６００に入射する受信信号は、乗算器６０５と加算器６０６によって所定のビームパターンを形成するように重み付けされる。その後検波回路６０７にて復調される。このとき、重み付けを行なうためのビームウェイトは各アンテナ素子６００の受信信号または検波回路６０７の出力を用いて、受信ウェイト計算回路６０８から得ることができる。ここまでの動作は、図２で示したアンテナ素子２０１からＡ／Ｄ変換器２０９までと合成ディジタル信号処理回路２１６ａの動作と同じである。
【００３９】
また図６の上では１つの合成ディジタル信号処理回路６０９しか記載していない。現実にはSDMA多重するユーザ数、すなわちサービスエリア内で通信を同時に行なうユーザ数分の合成ディジタル信号処理回路を備えるものとする。図２の構成例では時分割された通信フレームの１の時点を考えると同一周波数で同時に基地局と送受信ができるのはビームＡ、ビームＢあわせて２ユーザということになる。
【００４０】
本発明のアダプティブアレイ基地局では上記の受信系とは別にビームフォーミングネットワーク(ＢＦＮ)６０１、ＲＣＨモニタ６０２、比較器６０３、および６０４を備える。ＢＦＮは決まったビームウェイトを持ち、あらかじめ定められた固定ビームとなるアンテナ指向性パターンを作り出すものである。
【００４１】
図６では３つのＢＦＮが記載されており、それぞれがサービスエリア内で異なったゾーンをカバーするようなビームを形成する。各ＢＦＮ６０１のビームで受信された制御信号（特にRCH）をＲＣＨモニタ６０２で検出する。この各検出結果を次の比較器６０３で比較し、最も大きい値を持つＲＣＨモニタ６０２をビーム選択回路６０４で選択する。これは選択されたＲＣＨモニタに続くＢＦＮの一つを選択することに等しく、よって選択されたＢＦＮのビームウェイト（固定値）を決定できる。
【００４２】
決定したビームウェイト（固定値）は受信指向性パターン形成のための初期値として、受信ウェイト計算回路６０８の最適受信指向性パターンのトレーニングデータとなる。このとき頻繁に選択されるＢＦＮのビームウェイトに相当するアンテナ指向性のビームパターン内には、端末局が多く存在し密度が高いと推定できる。受信ウェイト計算回路６０８は、トラフィック均一化のために、当該ビームウェイトに相当するアンテナ指向性のビーム幅を狭めるように制御される。
【００４３】
上述したように、図６のアダプティブアレイ基地局では複数のＢＦＮ６０１による固定ビームの受信と比較器６０３によって、ＲＣＨの伝播してきた方向をおおよそ特定できる。これは制御信号であるＲＣＨによるランダムアクセスを受けると、ＢＦＮが作り出すビームパターンのうちの１つが比較器６０３で選択されるため、当該ビームパターンが示す範囲をＲＣＨが伝播してきた方向とみなすことができるからである。端末局の存在密度が高い範囲のビーム幅を狭めることで通信対象となる端末局が均一化され、よって端末局と基地局間でのパケット衝突率が低減される。
【００４４】
一般に、多重化すべきユーザがサービスエリア内に一様に分布している場合、パケット衝突率は固定したマルチビームを用いた場合に比べビーム本数分の１になると見積もられている。パケットの消滅が低減されることから、通信開始前のランダムアクセスにおける、接続確立に要する時間の遅延を抑えることができる。
【００４５】
さらに受信指向性パターンを求める際にも、選択されたＢＦＮのビームウェイトを初期値として採用することができる。ある程度確かな初期値を用いることができれば、次の上りリンク(UL)の受信データでビームウェイトを微調整するだけで、SDMAに最適なアンテナ指向性パターンを迅速に形成できる。
【００４６】
図６に示した本実施形態では３つの固定ビームを用いてサービスエリア全体を分割する場合を示している。実施に当たってはＢＦＮの数やアンテナ素子数を変更してもその作用はなんら変わりがない。
【００４７】
またMMAC(Multimedia Mobile Access Communication System)などの、ランダムアクセスによって呼出設定や通信を行なうものであれば適用できる。たとえば一般的な無線LANやセルラーシステムなどである。この場合でも、同様な構成を用いて容易にSDMAを実現できる。
【００４８】
さらに、本発明の実施の際は、実施例に示した基地局と端末局の関係を入れ替え、端末局に本発明のアダプティブアレイを適用しても、その構成および効果を発揮できるものである。
【００４９】
（端末局の存在方向の推定）
前述したようにサービスエリアを複数のセクタービームで分割する場合に、あるアンテナ指向性範囲内で通信相手からの制御信号を含む通信パケットを受信したとする。マルチパスの状況が非常に厳しくない限りは、この通信相手は依然として同じアンテナ指向性範囲内に存在する場合が多いと考えられる。
【００５０】
通信相手の方向推定にビームスキャンを用いる場合、上記通信相手からの通信パケットを受信したアンテナ指向性範囲だけをスキャンするだけで良い。サービスエリア全体のスキャンをする必要がないため、よって推定にかかる時間を短縮することが可能となる。ビームスキャンの例としては、ビームの指向性を変化させながら通信相手から届く電波の電界強度の最大となる方向を探す方法と、逆に最小となる方向を探すヌルスキャンとがある。いずれにしてもアンテナ指向性を変化させつつ一定範囲を走査（スキャン）するため、広い範囲の走査ほど時間が必要になる。
【００５１】
第４の実施形態として、この様子を図４に示す。セクタービームＣＢ−Ａの範囲に端末局１０３が存在することが判明したとする。アダプティブアレイ１０２はセクタービームＣＢ−Ａの範囲のみ、つまりセクタービームＣＢ−Ａの範囲外である角度範囲４０３を除く、角度範囲４０２のみを走査すればよい。走査にあたっては、図２に示したビーム制御回路２１４から複素乗算器２１０に与えられる重み係数を順次変化させ、狭いビーム４０１が角度範囲４０２内を移動（走査）するように制御する。
【００５２】
このときアダプティブアレイ１０２の受信信号は受信制御回路２１５によりモニタされており、その受信信号の最大値（ヌルスキャンについては最小値）を見つけ出す。受信信号が最大値（あるいは最小値）を採るときのビーム４０１が向いている方向がすなわち端末局の存在する方向であると推定できる。
【００５３】
これとは別に高分解能方向推定アルゴリズムを用いて算出する方法も考えられる。このアルゴリズムの一例としては、MUSIC(Multiple Signal Classification)、ESPRIT(Estimation of Signal Parameters Rotational Invariance Techniques)などがある。この方法は一般に、しばしばスプリアス解を生ずる。スプリアス解とは、実際に通信相手が存在する方向とは別の、見せ掛けの虚像解のことである。本発明では制御信号を受信した比較的狭いセクター範囲に存在することが分かっているので、該セクター範囲外に出現する解は全てスプリアス解として容易に排除できるという利点がある。
【００５４】
第５の実施形態として、この様子を図５にしたがって説明する。前提としてセクタービームＣＢ−Ａの範囲に端末局１０３が存在することが判明したとする。端末局の正確な存在方向を特定するため、このときの受信結果を用いて高分解能方向推定アルゴリズムによる方向推定計算を行なう。
【００５５】
場合によってはいくつかの存在方向を示す結果が得られることがある。現実の端末局は１つしか存在しないため、それ以外の解はすべて虚像解として排除しなければならない。図５では現実の端末局１０３に対して、解１０３ａ〜１０３ｃが得られた例を示している。このような場合であっても、すでに端末局はセクタービームＣＢ−Ａの範囲内に存在することがわかっているから、一番妥当と思われる解として解１０３ａを採用すればよい。一連の上記計算はビーム制御回路２１４あるいは受信制御回路２１５によって行なわれる。
【００５６】
（送信設備への適用）
これまで示した実施例では主に、SDMAの受信側に用いる無線通信用アダプティブアレイの説明をしてきた。これを送信側に置き換えた場合であっても、複数のセクタービームでサービスエリア全体を分割してカバーすることで、同様な効果を得ることができる。
【００５７】
この実施形態を同じく図６に示している。送信回路から送られてきた信号は、備えられたアンテナ素子に割り振るために分配器６１０によって分配される。そしてそのそれぞれに対し、送信ウェイト計算回路６１４からの信号に応じた処理が複素乗算器６１１によって行なわれる。このように処理された信号は、可変利得増幅器６１２による増幅を受け、加算器６１３へと導かれる。図６では当該処理回路６１５を一つしか記載していないが、実施時に形成する送信ビームの本数に相当する数の処理回路を設けることになる。加算器６１３はこれら複数設けられる処理回路の信号を加算する機能を担っている。
【００５８】
最後にダイプレクサ６１６を通過し、アンテナ素子６００より放射される。ダイプレクサ６１６はサーキュレータやフィルタなどの共用器であり、送受信でアンテナを共用するための電子装置である。受信の際はアンテナ素子から受信回路、および送信の際は送信回路からアンテナ素子へは通電するが、その逆方向には流れにくいという性質を持つ。
【００５９】
送信信号がアンテナ指向性を合成する前に可変利得増幅器６１２によって増幅されるのは既述のとおりである。送信時、送信ウェイト計算回路６１４は、ビーム選択回路６０４からの情報に従い、アンテナ素子毎の重み係数を決定する。この係数は送信されるビームのパターンに対応しているため、あらかじめ当該パターンにおける指向性利得を見込むことができる。送信ウェイト計算回路６１４は係数の決定と共に、可変利得増幅器６１２へ与える制御信号も生成する。可変利得増幅器６１２はこの制御信号によって、指向性利得と送信電力がおおむね一定になるようにその増幅率が制御される。この状態を保つことによって、不必要な電力消費を抑えることが可能となる。
【００６０】
例えば図１から図３のようにセクタービームの指向性範囲を変え、それぞれのセクタービームの指向性範囲が不均一になった場合を想定する。アダプティブアレイの場合、一般に指向性範囲が狭まると指向性利得が高くなる。図３の場合では、図１の時の送信電力と同じだとするならば、ＣＢ−Ａでの指向性利得がＣＢ−Ｂの指向性利得よりも高くなる。これは想定されたサービスエリアのセル半径以上の範囲へ電波を発信することになり、よって不必要な送信電力を消費していることになる。
【００６１】
さらに、過大な送信出力による送信は、当該アンテナ指向性外の隣接するセクターへの不要輻射を生ずる。ひいては隣接セクターへの不要輻射はＣＩＲ(Carrier to Interference Rate：所望波対干渉波比)の劣化を招き、通信品質の低下から結果的にシステムの加入者容量の低下に結びつく。本発明によれば不必要な送信電力を抑えられるとともに、それにより隣接セクターへの不要輻射が抑えられ、ＣＩＲの改善効果も期待できる。
【００６２】
【発明の効果】
無線局と通信端末局間のTDMA/SDMA通信において、衝突によるパケットの破棄を低減した、アダプティブアレイおよびアダプティブアレイを用いた無線通信システムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明の、SDMAの制御フレーム送受信時のセクター分担ビームを示す図である。
【図２】第２の発明の、基地局SDMA用DBFアレイの一実施例を表す構成図である。
【図３】SDMAの制御フレーム送受信時の分担範囲が不均一となったセクター分割ビームを示す図である。
【図４】第４の発明の、特定のビーム範囲をビームスキャンする様子を示す図である。
【図５】第５の発明の、高分解能方向推定アルゴリズムを用いて存在方向を推定した様子を示す図である。
【図６】第３の発明の、基地局SDMA用DBFアレイの一実施例を表す構成図である。
【図７】従来のSDMAによる送受信の一例を表す第１の図である。
【図８】従来のSDMAによる送受信の一例を表す第２の図である。
【図９】従来のセクタービームによるフレームの送受信を表す図である
【図１０】MMACにおけるMACフレーム構成の一例を表す図である。
【符号の説明】
１０１ --- 無線局（基地局）
１０２ --- アダプティブアレイ
１０３〜１０５ --- 通信端末（端末局）
ＣＢ−Ａ --- ビームＡが作り出すセクタービーム
ＣＢ−Ｂ --- ビームＢが作り出すセクタービーム
２１６ａ --- ビームＡの合成ディジタル信号処理回路
２１６ｂ --- ビームＢの合成ディジタル信号処理回路
６０１ --- ビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）
６０２ --- ＲＣＨモニタ
６０３ --- 比較器
６０４ --- ビーム選択回路
６０８ --- 受信ウェイト計算回路
６１０ --- 分配器
６１２ --- 可変利得増幅器
６１３ --- ダイプレクサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に無線通信システムの無線送受信装置に用いる無線通信用アダプティブアレイ及びアダプティブアレイを用いた無線通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アダプティブアレイは、所定形状に配置された複数のアンテナ素子と増幅装置や指向性ビーム制御装置、および無線送受信回路との入出力機能などを備えたアンテナ装置である。各アンテナ素子の出力に対して重み係数を乗じることで重み付けを行い、その重み係数を制御することで指向性の変更を可能としている。近年、無線通信システムの基地局や半固定の端末局に、指向性特性が適宜変えられるこのアダプティブアレイが使用される場合がある。
【０００３】
このようなシステムでは、同時に同一の周波数を使用して複数の通信相手と送受信するためにSDMA(Space Division Multiple Access)と呼ばれる既存の技術を用いる場合がある。SDMAには同時に複数のアンテナ指向性を合成することができる無線通信用アダプティブアレイを用いる。アダプティブアレイは、それぞれのアンテナ指向性に対応する送受信信号を、無線送受信回路との間で処理する。
【０００４】
まず従来の方法による無線通信システムについて説明する。サービスエリア内に存在する複数の通信端末と通信を確立するための基本的な方法として、TDMA(Time Division Multiple Access)、時分割多元接続方法を用いている。ここで言う時分割とは通信に使用される通信パケットのフレームを時間軸で分割することをいう。この様子を図９に示す。図９ではセクター７０１をサービスエリアに持つ無線局１０１と通信端末１０３、１０４、１０５がエリア内に存在している。
【０００５】
図９では無線通信用アダプティブアレイを、制御情報を含む制御フレームと通信フレームの両方の送受信に用いている。制御フレームと通信フレームをサービスセクタ７０１に存在する通信端末全てに送るために、セクタービームＣＢ−Ｃ状のアンテナ指向性を用いる。例ではアダプティブアレイ１０２が作り出すセクタービーム状のアンテナ指向性が、セクター７０１を一様にカバーしている様子を示している。
【０００６】
無線局１０１がサービスエリア内に存在する全通信端末に対し制御フレームを送る時は、図９に示す制御フレームの部分を利用して全通信端末に対し同時に送信される。次に個々の通信端末との通信フレームを送受信する時には、制御フレームに続く時分割された通信フレームを使用して行なわれる。図９の例では３つに時分割された通信フレームの最初のフレームで通信端末１０３が、そして次のフレームで１０４が送受信している。この方法によれば、サービスエリア内の全ての通信端末に一度に制御信号を含む制御フレームを送ることがきる。そして時間間隔を置いて通信相手を入れ替えることで、各通信フレームについてそれぞれの通信相手との多元通信環境を得ることができる。
【０００７】
しかしながらTDMA方式ではサービスエリア内で同時にサービスできる通信端末の数は、時分割された個々のフレームの分割数に制限を受けてしまう。また送信時、広範なエリア全てに常に十分な電界強度を発生させねばならないことから、常に大きな送信時電力も必要である。これが従来型TDMA方式の欠点である。
【０００８】
次にTDMAにSDMAを併用したTDMA/SDMAを用いる従来の無線通信システムについて説明する。SDMAを適用すると、無線局から見て異なる方向に存在する通信端末であれば同時に同一周波数を使用した通信（多重通信）が行なえるようになる。図７および図８は、上記方法による無線通信システムの典型的な一実施形態である。図７に示されている無線局等は図９と同様のため、説明を省略する。
【０００９】
無線局１０１に備えられたアダプティブアレイ１０２は、同時に複数のアンテナ指向性を合成する。図７ではビームＡ７０３がカバーする範囲と、これとは重なり合うことのないビームＢ７０２がカバーする範囲を合成している。ビームが実質的に互いに重なり合うことがないという意味は、これらが重なり合わないように互いのビームの方向を意図的に制御するという意味である。ビームの広がりや重み係数誤差などにより、その一部が重なり合っても現実には差し支えない。たとえばその重なり合っている部分に、少数の通信端末しか存在しないのであれば、現実に問題は生じない。
【００１０】
また、このときの指向性を合成するとは、複数のアンテナ指向性に捕らえられるそれぞれの送受信信号を、無線局１０１の無線送受信回路との間で同時に入出力することをいう。たとえば通信端末１０３と通信端末１０５のような、無線局１０１からみて存在方向の異なる通信端末との送受信を、同一周波数で同時に行なえる。通信端末１０３をビームＡ７０３がカバーし、通信端末１０５をビームＢ７０２がカバーしている様子を、図７に示す。
【００１１】
図７では２つのアンテナ指向性と３つに分割したフレームの最初のフレームを使用して、通信端末１０３、１０５との通信を行なっている。次の図８では時分割した次のフレームのタイミングで、ビームＢ７０２を変化させている。図８には変化後のアンテナ指向性の状態を示している。図７では通信端末１０３（＃３）をカバーしていたビームＢ７０２が、図８では通信端末１０２（＃２）をカバーするビームＢ８０２へと変化している。これによりビームＢのカバー範囲に位置する通信端末１０４は無線局１０１と通信ができるようになる。このときのビームの変化は、当該無線局１０１が同一フレームタイミングの中で形成するいずれのビームとも重なり合うことがないように制御される。このように一つのアンテナ指向性を時分割で変化させることにより、より多くの通信端末との通信を可能とする。
【００１２】
しかしながら、この通信方法は散在する通信端末に信号を送受信する際には問題を生ずる。SDMAを用いる無線通信用アダプティブアレイは、指向性方向が異なるそれぞれの指向性が作るビームの幅を、一般に狭く設定している。狭いビームならば隣り合うビームとの干渉を避けることができ、通信の多重化に有利となるからである。狭い幅のビームで散在する全ての通信端末に送受信するには、指向性パターンを何度も変え、その都度送受信を繰り返さねばならない。通信端末がサービスエリア内にあったとしても、その送受信の瞬間におけるアンテナの指向性方向にあたらなければ、該通信端末は所望のパケットを受信できないし、または送信した電波が無線局に捕らえられることもない。それが通信端末の通信開始のためのパケットであったならば、当然として通信が開始できない。これが第１の問題点である。
【００１３】
SDMAの利点を捨て、広い範囲をカバーするビームを適用すれば、上述のような問題は緩和される。しかしそれは無線局の受信時において、次のような新たな問題を生む可能性がある。それは制御信号を含む通信パケット信号を受信した各通信端末が、一斉に応答を返す場合などである。このような場合には無線局が端末局からの信号を正常に受信できる確率が低くなる。複数の通信相手からの通信パケットが時間的に重なり合うとそれらのパケット同士が衝突を起こす。衝突したデータは受信されることなく破棄されてしまうため、再度の送信が必要となる。これが通信確立のための信号であった場合、失われた信号を再送した後でなければ通信が開始できない。これが頻繁に発生すると通信の開始が極端に遅れる場合がある。これが従来の、TDMA、TDMA/SDMAを用いた場合の第２の問題点である。
【００１４】
一つのアダプティブアレイでビーム幅の広いビームと、狭いビームを併用する方法は技術的には次の問題も含んでいる。上記のように幅の広いビームと狭いビームの両方を同一のアダプティブアレイで合成させると、一般には利得面で差が生じる。セクタービーム状の角度の広い指向性パターンを発生させると、アダプティブアレイの中央付近のアンテナ素子に大きな振幅ウェイトを励起する。よってそのほかのアンテナ素子のウェイトを落とすこととなり、セクタービームの指向性利得が落ちてしまう。この利得差は、一般にビーム幅の差に大きく依存する。したがって通信可能範囲として確保できるサービスエリアは、セクタービーム側の指向性利得によって決まってしまう。
【００１５】
利得を落としたくないためにアダプティブアレイに加え、高利得のセクターアンテナを併設する場合もある。セクターアンテナは比較的広範な指向性範囲を持ったアンテナである。制御信号を含む制御フレームの送受信には併設した高利得のセクターアンテナを用い、個々の通信端末との通信フレームの送受信にはアダプティブアレイを使用する。通常、この２つのアンテナはマイクロ波スイッチで切り替えて通信設備と接続される。これらの構成では切り替えのための設備が大きくなる上に、互いのアンテナ同士の相互結合を低減する目的で、アンテナ間に距離をおくことも必要である。よって設置のために広い占有空間が必要になる。これが第３の問題点である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
既述したように、従来のTDMAにSDMAを適用すると多くの利点がある反面、既述の通り多くの問題点も発生する。
したがって本発明では、上記問題を克服し、無線局と通信端末局間のパケット通信におけるTDMA/SDMA通信を行なうことができるアダプティブアレイおよびアダプティブアレイを用いた無線通信システムを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、無線局を取り囲む全方向あるいはその一部をサービスエリアとする無線局の無線通信用アダプティブアレイにおいて、実質的に互いに重なり合うことのない複数の狭いビーム状のアンテナ指向性を合成する手段と、前記それぞれのアンテナ指向性に対応する送受信信号を無線送受信回路との間で入出力する手段と、を持つ無線通信用アダプティブアレイであって、データフレーム送受信時とは別に制御フレーム内の制御信号を含む通信パケット信号の送受信時には、少なくとも２以上の前記狭いビーム状のアンテナ指向性よりも広い、実質的に互いに重なり合うことのないセクター状のビームによって分担して前記サービスエリア全体を同時にカバーするように、前記それぞれのアンテナ指向性を操作する手段と、前記サービスエリア内のある通信相手からの制御フレーム内の通信パケット信号を、前記サービスエリアを分担してカバーするセクター状のアンテナ指向性のうちの１のアンテナ指向性で受信した場合において、該通信相手から得られた受信信号に対し高分解能信号処理を行う手段と、前記高分解能信号処理によって得られる解のうち該通信相手からの通信パケット信号を受信したアンテナ指向性の範囲内に存在する解から該通信相手が存在する方向を推定する手段と、を備えることを特徴とする無線通信用アダプティブアレイが提供される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明していく。
図１は第１の発明の無線通信用アダプティブアレイを用いた無線通信システムの一実施形態を示している。
【００２０】
基地局１０１が具備する無線通信用アダプティブアレイ１０２は、基地局１０１を取り囲む全方向あるいはその一部のサービスエリア内でSDMAによる通信を端末局１０３、１０４、１０５との間で行なう。図１では、サービスエリアの一部がアダプティブアレイ１０２により形成されたセクタービームＣＢ−Ａでカバーされ、他の一部はセクタービームＣＢ−Ｂによりカバーされる。アダプティブアレイ１０２は同時に複数のアンテナ指向性を合成し、それぞれのアンテナ指向性に対応する送受信信号を、無線局に設置された送受信制御回路との間で入出力する構成を有している。上記アダプティブアレイの受信部分は、例えば図２に示したような構成を持つDBFアレイなどを用いてSDMAを実現できる。
【００２１】
アレイアンテナ２０１は複数のアンテナ素子を直線状あるいは円形状といった所定形状に配列して構成される。アレイアンテナ２０１の各アンテナ素子の出力信号はフィルタ（例えば、帯域通過フィルタ）２０２により不要成分が除去され、さらに低雑音増幅器（LNA）２０３により増幅された後に乗算器２０６に入力される。そしてローカル発振器２０４から分配器２０５を介して供給されるローカル信号と乗算されることにより、周波数変換される。乗算器２０６の出力はフィルタ２０７により不要成分が除去され、直交復調器２０８により復調された後、Ａ／Ｄ変換器２０９によりデジタル信号に変換される。フィルタ２０２、低雑音増幅器２０３、乗算器２０６、ローカル発信器２０４、分配器２０５、フィルタ２０７、およびＡ／Ｄ変換器２０９はアレイアンテナ２０１のアンテナ素子数と同数個設けられる。
【００２２】
この後、セクタービームＣＢ−Ａの処理を行なう回路２１６ａとセクタービームＣＢ−Ｂの処理を行なう回路２１６ｂがそれぞれに続く。Ａ／Ｄ変換器２０９から出力されるデジタル信号は、まず複素乗算器２１０に入力される。そこで振幅および位相についての重み係数（複素重み係数）が乗じられ、その出力は加算器２１１により加算処理される。この出力が検波回路２１２によって復調されビーム制御回路２１４へと導かれる。ビーム制御回路２１４にはさらにＡ／Ｄ変換器２０９からのディジタル信号と受信制御回路２１５からの信号も入力されており、これらの情報から複素乗算器２１０に対する重み係数が決定される。この重み係数を適切に取ることによってどのようなアンテナ指向性になるかが決まる。復調された信号は通信端末からの受信信号として受信制御回路２１５へ接続され、通信データとして使用される。また受信制御回路２１５からビーム制御回路２１４への信号によって、複素乗算器２１０に与えられる重み係数を操作しアンテナ指向性のビームパターンを操作することができる。
【００２３】
この実施形態の無線通信アダプティブアレイ１０２では、制御フレームにおいて基地局１０１のサービスエリア全体を、互いに異なる指向性を有する複数のセクタービームで分担してカバーする。図１では基地局１０１のサービスエリア全体を、セクタービームＣＢ−Ａを持つアンテナ指向性とＣＢ−Ｂを持つアンテナ指向性の２つのビームで実質的に互いに重なり合うことなく、かつくまなくカバーしている状態を表している。既述したように、これらのビームは重なり合う部分があってはならないという意味ではなく、あくまで異なるアンテナ指向性によってという意味に解釈されなければならない。その重なり合う部分に含まれる端末局が、問題が生じない程度の数しか存在しないのでれば事実上差し支えない。上記動作は主に、サービスエリア内に存在する全端末局との間で同時に送受信する必要のある、制御信号を含む制御パケット信号の一斉送受信の際に行なわれる。一方、個々の端末局との間でやり取りされる通信フレームの送受信時には、セクタービームよりも狭いビームにより通信が行なわれる。
【００２４】
セクタービームとする場合または狭いビームとする場合でも上記構成に変更は必要ない。どのようなビームパターンのアンテナ指向性を与えるかは、ビーム制御回路２１４が複素乗算器２１０に伝達する重み係数によって制御される。制御フレームの送受信の際はセクタービームパターンとなる重み係数値、通信フレームの際は狭いビームパターンとなる重み係数がビーム制御回路２１４よりそれぞれ与えられる。これまでの説明は、第１の実施形態となる。
【００２５】
この機能を具備することにより、別途オムニ指向性アンテナやセクターアンテナを設置することもなく、さらにはそれらを切り替えるためのマイクロ波スイッチを備える必要も無くなる。広範なサービスエリアを、上記アンテナが使用するセクタービームより狭い複数のセクタービームで構成すると、次のようなメリットが受容できる。
【００２６】
（１）一つのセクタービームに含まれる端末局の総数を減らすことができ、制御信号を含む制御パケットの衝突率を低減できる。
【００２７】
（２）１のアダプティブアレイによる、比較的狭い範囲をカバーする本実施形態のセクタービームの利得と、通信フレームの送受信に使用される狭いビームとの間の利得差を小さくできる。よって基地局１０１のサービスエリアのセル半径を広く取れる。セル半径が広く取れると、より遠くの端末局をサービスすることもできる。
【００２８】
（３）端末局のサービスエリア内での存在方向を推定するのに要する時間の短縮ができる。
【００２９】
なお本実施形態ではサービスエリアを２つのセクタービームで全体を覆う場合を示したが、３つ以上のビームを用いることも同様の方法で実施が可能である。同時に張るビーム数が増えれば、同時に通信が可能な端末局の数を増やせる可能性もある。
【００３０】
（各アンテナ指向性のビーム幅の変更）
前述したような、実質的に互いに重なり合わない複数のセクタービームでサービスエリアを分割してカバーするとき、必ずしもそれぞれが均等に分割された範囲をカバーしなければならないということはない。例えばセクター内の端末局の分布が一様ではなく偏りがある場合、図３に示すようにビーム幅を変化させても良い。端末局が密に分布する範囲（図ではＣＢ−Ａを想定）の方をより狭いセクタービームとし、他のビーム（同じくＣＢ−Ｂ）でＣＢ−Ａの範囲外となった範囲を含んでカバーする。ビーム幅を不均一にすることで、各ビームでサービスする可能性のある端末局の数をほぼ同じ程度にし、トラフィックの均一化とサービスエリア内でのパケットの衝突率を最小化することができる。これが第２の実施形態である。
【００３１】
第３の実施形態として、各セクタービームが分担する範囲を変更するために、過去の制御フレームでの通信パケット信号の受信頻度情報を用いることも考えられる。これはセクタービームで受けた制御フレームの通信パケット信号の受信頻度は、そのセクター内に存在する端末局の存在数にほぼ比例すると考えられるからである。このように構成するとパケットの衝突率管理やトラフィックの均一化を自動的に行なわせることも可能である。
【００３２】
携帯電話のセルラーシステムや無線ＬＡＮなどでは、通信の開始時やハンドオーバーの際にランダムアクセスを行なう。通信端末が無線局等の間に確立している接続を別の無線局に切り替えることをハンドオーバーという。切り替えに当たって通信端末は適切な無線局との間に接続を確立するため、制御信号やパケット通信信号のやり取りを行なう。このとき、通常の通話状態とは異なる送受信が行なわれる。このときの通信に使用される方法が、ランダムアクセスと呼ばれる手法である。
【００３３】
ここで行なわれる一連のやり取りを、パケット通信を利用した具体的な無線LANシステムであるMMAC(Multimedia Mobile Access Communication system)を例にとって説明する。MMACとは日本で標準化が進められている５GHｚ帯無線アクセスシステムでTDMA/TDD方式を採用している。
【００３４】
TDMA/TDD方式では送受信の際の物理チャネル構成、つまりMACフレーム構成は図１０のMACフレーム１００１のようになる。MAC(Media Access Control)は国際標準化機構(ISO)が制定するOSI(Open System Interconnection)参照モデルのデータリンク層の下位に相当する。MACはフレームの送受信方法の形式、誤り検出方法などを規定する。フレームはデータの送受信単位のことである。
およそ２msec毎にMACフレーム１００１のフォーマットで、基地局と端末局間で上り／下りリンク(DL data/UL data)の信号送受信を行なう。
【００３５】
先頭のBCHは、フレーム毎、セクター毎の運用情報を報知するために使用される。次のFCHは前述MACフレームの構造に関する情報を通知するために使われる。また端末局から通信を開始するときにはランダムアクセスという方法が使われるが、そのためのリソース要求を行なうのがRCHの部分である。RCHで要求された結果は、以降のフレームのACHによって基地局から端末局に通知がなされる。
【００３６】
無線LANにおいては周波数利用効率を向上されるためにSDMAを採用することは非常に有効となる。これは空間的に離れた通信端末に対して同一の周波数/時間を割り当てることができるからである。特にMMACのような２０GHｚという広帯域の信号を取り扱うシステムに適している。広帯域ゆえに数少ないチャネルリソースしか割り当てられないことが多く、この技術によりシステム容量の増大が期待できる。
【００３７】
従来のMMACのMACフレーム１００１にSDMAを適用した場合、MACフレーム１００２のようなフレーム構成とすることでユーザを多重化することができる。しかしながらこのようなフレーム構成であるかぎり、端末局から通信を開始する際に使用されるRCHが多重化されない。これはSDMA多重度数が大きくなってくると、端末局のランダムアクセスによるRCHのリソース要求が集中する結果を招く。このためパケットの衝突が起こり易くなり、特に基地局との通信確立の際に問題が大きい。SDMAを用いた場合であっても、これらの影響をできうる限り排除できることが望ましい。
【００３８】
図６は前述した発明の構成例である。複数のセクタービームで基地局のサービスエリアをカバーする１つの無線通信用アダプティブアレイであって、各々のビーム幅を可変とする構成の一例を表している。例では３本のアンテナ素子６００に入射する受信信号は、乗算器６０５と加算器６０６によって所定のビームパターンを形成するように重み付けされる。その後検波回路６０７にて復調される。このとき、重み付けを行なうためのビームウェイトは各アンテナ素子６００の受信信号または検波回路６０７の出力を用いて、受信ウェイト計算回路６０８から得ることができる。ここまでの動作は、図２で示したアンテナ素子２０１からＡ／Ｄ変換器２０９までと合成ディジタル信号処理回路２１６ａの動作と同じである。
【００３９】
また図６の上では１つの合成ディジタル信号処理回路６０９しか記載していない。現実にはSDMA多重するユーザ数、すなわちサービスエリア内で通信を同時に行なうユーザ数分の合成ディジタル信号処理回路を備えるものとする。図２の構成例では時分割された通信フレームの１の時点を考えると同一周波数で同時に基地局と送受信ができるのはビームＡ、ビームＢあわせて２ユーザということになる。
【００４０】
本発明のアダプティブアレイ基地局では上記の受信系とは別にビームフォーミングネットワーク(ＢＦＮ)６０１、ＲＣＨモニタ６０２、比較器６０３、および６０４を備える。ＢＦＮは決まったビームウェイトを持ち、あらかじめ定められた固定ビームとなるアンテナ指向性パターンを作り出すものである。
【００４１】
図６では３つのＢＦＮが記載されており、それぞれがサービスエリア内で異なったゾーンをカバーするようなビームを形成する。各ＢＦＮ６０１のビームで受信された制御信号（特にRCH）をＲＣＨモニタ６０２で検出する。この各検出結果を次の比較器６０３で比較し、最も大きい値を持つＲＣＨモニタ６０２をビーム選択回路６０４で選択する。これは選択されたＲＣＨモニタに続くＢＦＮの一つを選択することに等しく、よって選択されたＢＦＮのビームウェイト（固定値）を決定できる。
【００４２】
決定したビームウェイト（固定値）は受信指向性パターン形成のための初期値として、受信ウェイト計算回路６０８の最適受信指向性パターンのトレーニングデータとなる。このとき頻繁に選択されるＢＦＮのビームウェイトに相当するアンテナ指向性のビームパターン内には、端末局が多く存在し密度が高いと推定できる。受信ウェイト計算回路６０８は、トラフィック均一化のために、当該ビームウェイトに相当するアンテナ指向性のビーム幅を狭めるように制御される。
【００４３】
上述したように、図６のアダプティブアレイ基地局では複数のＢＦＮ６０１による固定ビームの受信と比較器６０３によって、ＲＣＨの伝播してきた方向をおおよそ特定できる。これは制御信号であるＲＣＨによるランダムアクセスを受けると、ＢＦＮが作り出すビームパターンのうちの１つが比較器６０３で選択されるため、当該ビームパターンが示す範囲をＲＣＨが伝播してきた方向とみなすことができるからである。端末局の存在密度が高い範囲のビーム幅を狭めることで通信対象となる端末局が均一化され、よって端末局と基地局間でのパケット衝突率が低減される。
【００４４】
一般に、多重化すべきユーザがサービスエリア内に一様に分布している場合、パケット衝突率は固定したマルチビームを用いた場合に比べビーム本数分の１になると見積もられている。パケットの消滅が低減されることから、通信開始前のランダムアクセスにおける、接続確立に要する時間の遅延を抑えることができる。
【００４５】
さらに受信指向性パターンを求める際にも、選択されたＢＦＮのビームウェイトを初期値として採用することができる。ある程度確かな初期値を用いることができれば、次の上りリンク(UL)の受信データでビームウェイトを微調整するだけで、SDMAに最適なアンテナ指向性パターンを迅速に形成できる。
【００４６】
図６に示した本実施形態では３つの固定ビームを用いてサービスエリア全体を分割する場合を示している。実施に当たってはＢＦＮの数やアンテナ素子数を変更してもその作用はなんら変わりがない。
【００４７】
またMMAC(Multimedia Mobile Access Communication System)などの、ランダムアクセスによって呼出設定や通信を行なうものであれば適用できる。たとえば一般的な無線LANやセルラーシステムなどである。この場合でも、同様な構成を用いて容易にSDMAを実現できる。
【００４８】
さらに、本発明の実施の際は、実施例に示した基地局と端末局の関係を入れ替え、端末局に本発明のアダプティブアレイを適用しても、その構成および効果を発揮できるものである。
【００４９】
（端末局の存在方向の推定）
前述したようにサービスエリアを複数のセクタービームで分割する場合に、あるアンテナ指向性範囲内で通信相手からの制御信号を含む通信パケットを受信したとする。マルチパスの状況が非常に厳しくない限りは、この通信相手は依然として同じアンテナ指向性範囲内に存在する場合が多いと考えられる。
【００５０】
通信相手の方向推定にビームスキャンを用いる場合、上記通信相手からの通信パケットを受信したアンテナ指向性範囲だけをスキャンするだけで良い。サービスエリア全体のスキャンをする必要がないため、よって推定にかかる時間を短縮することが可能となる。ビームスキャンの例としては、ビームの指向性を変化させながら通信相手から届く電波の電界強度の最大となる方向を探す方法と、逆に最小となる方向を探すヌルスキャンとがある。いずれにしてもアンテナ指向性を変化させつつ一定範囲を走査（スキャン）するため、広い範囲の走査ほど時間が必要になる。
【００５１】
第４の実施形態として、この様子を図４に示す。セクタービームＣＢ−Ａの範囲に端末局１０３が存在することが判明したとする。アダプティブアレイ１０２はセクタービームＣＢ−Ａの範囲のみ、つまりセクタービームＣＢ−Ａの範囲外である角度範囲４０３を除く、角度範囲４０２のみを走査すればよい。走査にあたっては、図２に示したビーム制御回路２１４から複素乗算器２１０に与えられる重み係数を順次変化させ、狭いビーム４０１が角度範囲４０２内を移動（走査）するように制御する。
【００５２】
このときアダプティブアレイ１０２の受信信号は受信制御回路２１５によりモニタされており、その受信信号の最大値（ヌルスキャンについては最小値）を見つけ出す。受信信号が最大値（あるいは最小値）を採るときのビーム４０１が向いている方向がすなわち端末局の存在する方向であると推定できる。
【００５３】
これとは別に高分解能方向推定アルゴリズムを用いて算出する方法も考えられる。このアルゴリズムの一例としては、MUSIC(Multiple Signal Classification)、ESPRIT(Estimation of Signal Parameters Rotational Invariance Techniques)などがある。この方法は一般に、しばしばスプリアス解を生ずる。スプリアス解とは、実際に通信相手が存在する方向とは別の、見せ掛けの虚像解のことである。本発明では制御信号を受信した比較的狭いセクター範囲に存在することが分かっているので、該セクター範囲外に出現する解は全てスプリアス解として容易に排除できるという利点がある。
【００５４】
第５の実施形態として、この様子を図５にしたがって説明する。前提としてセクタービームＣＢ−Ａの範囲に端末局１０３が存在することが判明したとする。端末局の正確な存在方向を特定するため、このときの受信結果を用いて高分解能方向推定アルゴリズムによる方向推定計算を行なう。
【００５５】
場合によってはいくつかの存在方向を示す結果が得られることがある。現実の端末局は１つしか存在しないため、それ以外の解はすべて虚像解として排除しなければならない。図５では現実の端末局１０３に対して、解１０３ａ〜１０３ｃが得られた例を示している。このような場合であっても、すでに端末局はセクタービームＣＢ−Ａの範囲内に存在することがわかっているから、一番妥当と思われる解として解１０３ａを採用すればよい。一連の上記計算はビーム制御回路２１４あるいは受信制御回路２１５によって行なわれる。
【００５６】
（送信設備への適用）
これまで示した実施例では主に、SDMAの受信側に用いる無線通信用アダプティブアレイの説明をしてきた。これを送信側に置き換えた場合であっても、複数のセクタービームでサービスエリア全体を分割してカバーすることで、同様な効果を得ることができる。
【００５７】
この実施形態を同じく図６に示している。送信回路から送られてきた信号は、備えられたアンテナ素子に割り振るために分配器６１０によって分配される。そしてそのそれぞれに対し、送信ウェイト計算回路６１４からの信号に応じた処理が複素乗算器６１１によって行なわれる。このように処理された信号は、可変利得増幅器６１２による増幅を受け、加算器６１３へと導かれる。図６では当該処理回路６１５を一つしか記載していないが、実施時に形成する送信ビームの本数に相当する数の処理回路を設けることになる。加算器６１３はこれら複数設けられる処理回路の信号を加算する機能を担っている。
【００５８】
最後にダイプレクサ６１６を通過し、アンテナ素子６００より放射される。ダイプレクサ６１６はサーキュレータやフィルタなどの共用器であり、送受信でアンテナを共用するための電子装置である。受信の際はアンテナ素子から受信回路、および送信の際は送信回路からアンテナ素子へは通電するが、その逆方向には流れにくいという性質を持つ。
【００５９】
送信信号がアンテナ指向性を合成する前に可変利得増幅器６１２によって増幅されるのは既述のとおりである。送信時、送信ウェイト計算回路６１４は、ビーム選択回路６０４からの情報に従い、アンテナ素子毎の重み係数を決定する。この係数は送信されるビームのパターンに対応しているため、あらかじめ当該パターンにおける指向性利得を見込むことができる。送信ウェイト計算回路６１４は係数の決定と共に、可変利得増幅器６１２へ与える制御信号も生成する。可変利得増幅器６１２はこの制御信号によって、指向性利得と送信電力がおおむね一定になるようにその増幅率が制御される。この状態を保つことによって、不必要な電力消費を抑えることが可能となる。
【００６０】
例えば図１から図３のようにセクタービームの指向性範囲を変え、それぞれのセクタービームの指向性範囲が不均一になった場合を想定する。アダプティブアレイの場合、一般に指向性範囲が狭まると指向性利得が高くなる。図３の場合では、図１の時の送信電力と同じだとするならば、ＣＢ−Ａでの指向性利得がＣＢ−Ｂの指向性利得よりも高くなる。これは想定されたサービスエリアのセル半径以上の範囲へ電波を発信することになり、よって不必要な送信電力を消費していることになる。
【００６１】
さらに、過大な送信出力による送信は、当該アンテナ指向性外の隣接するセクターへの不要輻射を生ずる。ひいては隣接セクターへの不要輻射はＣＩＲ(Carrier to Interference Rate：所望波対干渉波比)の劣化を招き、通信品質の低下から結果的にシステムの加入者容量の低下に結びつく。本発明によれば不必要な送信電力を抑えられるとともに、それにより隣接セクターへの不要輻射が抑えられ、ＣＩＲの改善効果も期待できる。
【００６２】
【発明の効果】
無線局と通信端末局間のTDMA/SDMA通信において、衝突によるパケットの破棄を低減した、アダプティブアレイおよびアダプティブアレイを用いた無線通信システムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明の、SDMAの制御フレーム送受信時のセクター分担ビームを示す図である。
【図２】第２の発明の、基地局SDMA用DBFアレイの一実施例を表す構成図である。
【図３】SDMAの制御フレーム送受信時の分担範囲が不均一となったセクター分割ビームを示す図である。
【図４】第４の発明の、特定のビーム範囲をビームスキャンする様子を示す図である。
【図５】第５の発明の、高分解能方向推定アルゴリズムを用いて存在方向を推定した様子を示す図である。
【図６】第３の発明の、基地局SDMA用DBFアレイの一実施例を表す構成図である。
【図７】従来のSDMAによる送受信の一例を表す第１の図である。
【図８】従来のSDMAによる送受信の一例を表す第２の図である。
【図９】従来のセクタービームによるフレームの送受信を表す図である
【図１０】MMACにおけるMACフレーム構成の一例を表す図である。
【符号の説明】
１０１ --- 無線局（基地局）
１０２ --- アダプティブアレイ
１０３〜１０５ --- 通信端末（端末局）
ＣＢ−Ａ --- ビームＡが作り出すセクタービーム
ＣＢ−Ｂ --- ビームＢが作り出すセクタービーム
２１６ａ --- ビームＡの合成ディジタル信号処理回路
２１６ｂ --- ビームＢの合成ディジタル信号処理回路
６０１ --- ビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ）
６０２ --- ＲＣＨモニタ
６０３ --- 比較器
６０４ --- ビーム選択回路
６０８ --- 受信ウェイト計算回路
６１０ --- 分配器
６１２ --- 可変利得増幅器
６１３ --- ダイプレクサ
Claims (1)
- 無線局を取り囲む全方向あるいはその一部をサービスエリアとする無線局の無線通信用アダプティブアレイにおいて、実質的に互いに重なり合うことのない複数の狭いビーム状のアンテナ指向性を合成する手段と、前記それぞれのアンテナ指向性に対応する送受信信号を無線送受信回路との間で入出力する手段と、を持つ無線通信用アダプティブアレイであって、データフレーム送受信時とは別に制御フレーム内の制御信号を含む通信パケット信号の送受信時には、少なくとも２以上の前記狭いビーム状のアンテナ指向性よりも広い、実質的に互いに重なり合うことのないセクター状のビームによって分担して前記サービスエリア全体を同時にカバーするように、前記それぞれのアンテナ指向性を操作する手段と、前記サービスエリア内のある通信相手からの制御フレーム内の通信パケット信号を、前記サービスエリアを分担してカバーするセクター状のアンテナ指向性のうちの１のアンテナ指向性で受信した場合において、該通信相手から得られた受信信号に対し高分解能信号処理を行う手段と、前記高分解能信号処理によって得られる解のうち該通信相手からの通信パケット信号を受信したアンテナ指向性の範囲内に存在する解から該通信相手が存在する方向を推定する手段と、を備えることを特徴とする無線通信用アダプティブアレイ。
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