JP4064300B2 - 無線ディジタル通信システム用の加入者局システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術】
この発明は無線デイジタル電話システムに関し、とくに無線周波数利用効率を高めた無線デイジタル電話システムに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
現在の電話システムは長距離通話用に無線技術を使用することが多くなっており、デイジタル技術を使用し始めている例もあるが、個々の加入者の間の市内通話に効果的で効率的な無線デイジタル技術を提供するには至っていない。この種の技術は1987年２月12日付米国特許第4,644,561号および1987年６月23日付米国特許第4,675,863号など本出願人の譲受人の所有する最近の特許に開示されている。これら特許に開示されている技術は電話局および複数の加入者局の両方と、デイジタル無線時分割回路との利用により、すなわち、送信チャンネルビットストリーム内に繰り返し順次式スロット位置を有し、それらスロットの各々を特定の加入者局と関連づけた時分割回路の利用により交信状態にある基地局を提供する。
【０００３】
上記の時分割システム内で使用される基地局は比較的複雑で高価であるが、多数の加入者を収容する大型のシステムについては経済的に実現可能である。しかし、比較的少数の加入者を収容する比較的小さいシステムについては経済的には実現不可能である。また、上記システムは送信用および受信用にそれぞれ一つずつの周波数、すなわち送受信用に一対の周波数を用いており、利用可能な周波数チャンネル数が限られていることから、送受信を単一の周波数で行うことが強く望まれている。
【０００４】
したがって、本発明の目的は送受信を単一の周波数の互いにずれたタイムスロットを用いて行う無線デイジタル電話システムを提供することにある。
【０００５】
本発明のもう一つの目的はある状況の下で実際の基地局の代替局として機能できるシュミレートまたはエミュレートした基地局とも呼び得る局を提供することにある。
【０００６】
これら以外の目的については以下の説明と特許請求の範囲の記載から明らかになろう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のシステムは、変形した加入者局を、シュミレートまたはエミュレートした基地局として機能するように用い、それによってシステム全体のコストと複雑性を著しく低減する。このエミュレートした基地局と上記加入者局との相違点は前者が同期動作の基準を設定できる点だけであり、加入者局は、そのエミュレートした基地局からの無線周波数(RF)信号を、自局に割り当てられた周波数およびスロットが見出されるまで走査するように機能するだけである。上記RF信号の送信と送信との間の期間に上記エミュレートした基地局はRF信号を加入者局から受信するようになっている。このようにして、その加入者局は、すでに他の通常の加入者局として機能するに至っている上記エミュレートした基地局と通話でき、また、そのエミュレートした基地局により同期状態に達している他の加入者局とも通話できる。
【０００８】
【実施例】
総括的に10で示したこの発明のシステムの全体的な内部構成を第１図にブロック図で示す。加入者は通話の際に電話機12に音声を送り込み、それによる音声信号が市内電話インタフェース・ユニット14に送られる。この音声信号はコーデック16によってデイジタル化され、その結果生ずるデイジタル・データストリームは音声処理装置18に供給され、この音声処理装置18によってより低いデータ速度にデータ圧縮される。圧縮されたデータは線22および双投スイッチ24経由でモデム20に供給され、このモデム20によって周波数スペクトラム利用効率の高いアナログ信号に変換される。このアナログ信号は線28を通じてRF送受信部26に供給される。RF送受信部26はこのアナログ信号をRF信号に周波数変換（アップコンバート）し、アンテナ30を通じて送信する。
【０００９】
送受信部26はRF信号の送信と送信との間の期間にRF信号を交信相手の加入者局から受信することができるようになっている。送受信部26はこれら受信RF信号の各々をIF信号に周波数変換（ダウンコンバート）し、このIF信号を線32経由でモデム20に供給する。モデム20はこのIF信号を復調してデイジタル信号を生じ、このデイジタル信号は双投スイッチ24および線36経由で音声処理装置18に供給される。この段階では音声処理装置18は入力デイジタル信号をデイジタル化音声信号に伸長するように機能し、その出力のデイジタル化音声信号はコーデック16に供給され、コーデック16の出力アナログ音声信号は市内電話インタフェース・ユニット14経由で電話機12に供給される。
【００１０】
データ送信モードも上記電話通話モードと全く同様であり、電話機12がデータ端末またはコンピュータ38と置換され、電話機12からインタフェース・ユニット14、コーデック16および音声処理装置18に至る経路が線40および42によってバイパスされ、双投スイッチ24のもう一対の固定接点に接続される点だけが異なっている。
【００１１】
モデム20およびRF送受信部26はともに制御回路44に接続してある。制御回路44は最初は所定タイムスロット、すなわちモデムを変調およびトレーニング・モードにセットし、送受信部26を所定のRF周波数および出力電力レベルにセットする所定タイムスロットにセットされる。これらのパラメータはこの加入者局による受信が満足すべきものではない場合はその加入者局において調節できる。
【００１２】
前述の米国特許第4,675,863号記載のシステムのように実際の基地局を用いているシステムにおいては、送信波形は各々が長さ45ミリ秒の多数のフレームに分割される。一方、各フレームは四つの長さ11.25ミリ秒のスロットに分割される。基地局はこれら四つのスロットすべてにおいて送信し、デューティサイクル100％の変調波形を発生する。ただし無線制御チャンネル(RCC)だけは例外である。RCCスロットは11.25ミリ秒より僅かに短く、これによって各フレームの始点で変調に微小なギャップを生じさせる。このギャップはAMホールとして知られている。実際の基地局のフォーマットにおけるRCCチャンネルの波形を第２図に示す。本発明のシステムにおいては、デューティサイクル100％の波形の送信は行わず、第３図に示すとおり、フレームあたり一つのスロットだけで送信を行う（すなわち、デューティサイクル25％の波形）。この変形フレーム・フォーマットの実現には粗同期、自動利得制御(AGC)および周波数捕捉に変更が必要である。これらの変更について次に述べる。
粗同期
本発明のシステムはデューティサイクル25％の波形を利用するので、受信信号の振幅をモニターし、振幅信号の正の縁部をサーチする必要がある。これら正の縁部を第４図に示す。加入者局は自局のフレーム・タイミングをこれら正の縁部に合わせる調節を行う。
【００１３】
上述の粗同期を達成する回路を第５図のブロック図に示す。この図において、受信信号は振幅計算回路50に供給され、この回路50は振幅計算値信号を発生する。この計算値は比較器52において所定の閾値信号と比較され、これによってデイジタル信号を形成する（１＝信号あり、０＝信号なし）。このデイジタル信号は縁部検出器54に供給され、この検出器が正の縁部の検出を示すストローブを出力する。
ＡＧＣ
デューティサイクル25％の変調は信号なしの時に追従を回避できる特別な受信AGC回路を必要とする。そのために、低速立上がり高速立下がりAGCを提供する。この点は第６図に示してある。すなわち、同図において、受信信号は、予めプログラムしたROMで構成できる振幅計算回路56に供給され、その出力の振幅計算値信号は比較器58に供給され、所定の閾値から減算されて差信号を生ずる。この差信号は二つの拡大縮小乗算器60および62の一方を通じて、加算器64、遅延装置66およびループ68から成る低域濾波器に供給される。上記二つの乗算器60および62のいずれか一方が上記差信号の符号に従って選択的に駆動される。差信号が正であればAGC制御信号を遅い立下がりの信号にする。差信号が負の場合は、AGC制御信号を高速立上り信号にする。上記低域濾波器の出力は利得制御信号であり、この信号は第１図の制御回路44に供給される。
粗周波数捕捉
デューティサイクル25％のフレーム・フォーマットにおいては無信号期間（75％の無信号期間）中は周波数捕捉を行う必要がなく、また周波数捕捉時点ではフレーム・タイミングは不明であるので、第７図に示すような変形周波数捕捉回路を用いる。この回路において、受信信号は離散的フーリエ変換(DFT)装置70に供給され、このDFT装置70は高周波帯域成分出力（中心周波数以下の周波数帯域のエネルギー）を出力する。高周波帯域成分出力を加算器72において低周波帯域成分出力から減算し、その差出力をミキサーまたは乗算器74に供給する。一方、受信信号はその符号（正または負）を除去し振幅の絶対値のみを出力する符号除去回路76に供給される。符号除去後の信号は濾波器78に供給され、この濾波器による信号の時間平均化により信号を平滑化する。濾波器78の出力は増幅器80経由で乗算器74に供給される。
【００１４】
符号除去回路76、濾波器78および増幅器80から成る回路の主な目的は、出力信号への雑音の悪影響を防止するとともに信号そのものを強調することにある。すなわち、雑音は一般に振幅が小さいので、上記平滑化の過程で実質的に除去される。他方、実際の信号は一般に振幅が比較的大きいので、上記平滑化出力または濾波器出力を乗算器74に加えることによって強調される。
【００１５】
拡大縮小乗算器74の出力信号は上記高周波数と低周波数との間で平衡がとられ、この平衡化信号、すなわち受信信号の短時間平均振幅に比例するこの平衡化信号が低域濾波器、すなわち加算器82、遅延手段84およびこれらを接続するループ86から成る低域濾波器に供給される。遅延手段84は、VCXO制御回路への出力信号88が低域濾波器への実際の出力供給の直前のその出力を表すようにする。VCXO制御回路はシステム内の主発振器の周波数を調節する目的に使用される。
【００１６】
初期同期、すなわち粗同期が達成されたあとはシステムはアイドル音声モードになっているが、音声作動に対しては完全に応動できる体制にある。すなわち、一方の電話機がオフフックの状態になれば、他方の被呼側の電話機は呼出音を生じ、被呼側の応答または発呼側電話機のオンフックまでそれを継続させる。
【００１７】
各音声スロットのはじめにある音声コードワード(VCR)、すなわち発呼側の局のオフフック状態を示すコードワードによって呼が準備完了となる。この状態になると、エミュレートした基地局として機能する局は市内電話局(CO)から見てオフフック状態になり、これによって電話局との接続を形成する。次に、その発呼加入者局は所望の番号をダイアルすることによりその呼を完結させる。発呼加入者の加入者ユニットがオンフック状態になると、エミュレートした基地局はVCWによりその旨の情報を受け、電話局に対してオンフック状態を示す。
【００１８】
エミュレートした基地局が電話局からの呼出音信号(ring signal)を検出すると、被呼加入者ユニットはエミュレートした基地局からの対応のVCWにより呼出音を生ずる。それに応答して被呼加入者ユニットがオフフックになると、エミュレートした基地局は上記対応のVCW経由でその旨の情報を受け、電話局に対してオフフック状態を示す。
【００１９】
上述の型の無線電話システム構成は第８図に例示してある。すなわち、この図において、加入者ユニット90はエミュレートした基地局96とアンテナ92および94経由で無線交信状態にあるものとして示してある。また、エミュレートした基地局96は線98およびインタフェース100経由で電話局と無線交信状態にある。
二重加入者システム
上述のシステムは第９図に示したように二重加入者装置とともに用いることができる。このシステムにおいては、各チャンネルは送受切換器を用いることなく二つの完全な通話をサポートできる。すなわち、二重加入者ユニット102は導線 104および106により一対の加入者電話機108および110にそれぞれ接続される。加入者ユニット102はエミュレートした二重基地局116とアンテナ112および114経由で無線交信状態にある。エミュレートした二重基地局116は線路118および120により電話局に接続されている。
【００２０】
二つの互いに別々の加入者電話機108および110は上述の米国特許第4,675,863号記載のタイムスロット配列、すなわち各加入者電話機に別々のスロットを割り当てるタイムスロット配列を利用している。この配列のためのフレーム・フォーマットは、第10図に示すとおり、四つのスロット１、２、３および４を有する。はじめの二つのスロットはエミュレートした基地局用に使用され、あとの二つのスロットは二つの加入者電話機用に使用される。
【００２１】
複数のエミュレートした基地局からの送信全ての間で同期をとることによって、送受切換器を用いることなく複数の二重加入者システムを互いに異なるチャンネルで動作させることができる。その状態のフレーム・フォーマットは図11に図解してある。すなわち、この図において、チャンネル１は上部に示し、チャンネルｎは下部に示してある（両者間には所望の数のチャンネルが点線で示してある）。各チャンネルにおいて、はじめの二つのスロットは送信用であり、あとの二つのスロットは受信用に使用される。
無線選択呼出遠隔サービス
一つのエミュレートした基地局を複数の互いに異なる加入者が一加入者ずつ使用できる。そのような配列においては、受信用に、加入者局は、無線周波数制御チャンネル(RCC)、すなわち上述の米国特許第4,675,863号明細書により明確に記載してあるRCCの送信を、特定の加入者局が上記エミュレートした基地局から加入者局ID番号(SID)により無線選択呼出しされるまで継続的に監視する。無線選択呼出を受信すると、加入者局は上述の同期プロセスを用いて上記エミュレートした基地局への戻しの送信を開始する。呼を開始するために加入者局は上述の同期プロセスを用いRCCを通じて送信する。
モニター機能
本発明のシステムを一つ以上の機能の監視の目的に使うこともできる。すなわち、制御／データ自動記録装置としてコンピューターを使用し、複数の加入者局を、温度、気象状況、保安、水／洪水警報、燃料きれ警報、遠隔地のガスメータ、電力計または量水器の読取りなど多数の機能上の報告を得るために周期的にポーリングするように構成することができる。その実施の態様を第12図に図解してある。この図において、エミュレートした基地局122は複数の加入者ユニット124、126および128と無線交信状態にある。エミュレートした基地局122は音声通信用の電話機130およびデータ入力用のコンピューターまたはデータ端末132の両方と有線で接続されている。同様に、加入者ユニット124、126、および128は音声通信用の電話機134、136および138、並びにデータ端末140、142および144にそれぞれ接続されている。
中継システム
本発明のシステムのもう一つの用途はシステムの交信範囲を拡張する中継装置としての用途である。すなわち、エミュレートした基地局を山などの障害物の影響の除去の目的に使用するのである。第13図はこの機能を図解しており、山の頂上にある上記エミュレートした基地局148と無線交信状態にある加入者局146を示す。エミュレートした基地局148も、電話局に接続された通常の基地局150と無線交信状態にある。
【００２２】
上述のエミュレートした基地局は比較的簡単で廉価であるので、中継装置として費用効率が非常に高い。このエミュレートした基地局は障害物の有無に関わりなく交信可能範囲を拡張する中継器として使用できる。すなわち、上記タイムスロット配列を利用することにより、この中継器は送受切換器の使用を伴うことなく無線通信システムに適合できる一方、通常の基地局および加入者局の両者に対しトランスペアレンシーを維持する。この中継器を加入者局と通常の基地局との間でなく加入者局ともう一つのエミュレートした基地局との間に挿入できることはもちろんである。一つのエミュレートした基地局ともう一つのエミュレートした基地局との間で多段に上記中継器を配置し、それによってシステムの交信可能範囲を比較的安い費用で大幅に拡張できる。この点は第14図に図解してある。すなわち、同図においては一連の中継局152が加入者局154と基地局156との間に配置してある。
【００２３】
システムの交信可能範囲の拡張に加えて、この中継局は加入者局への再送信前の等化を通じて実際の基地局信号の雑音成分除去を行う機能を有する。
【００２４】
一つの中継器をスター接続中継システムで用い、多数の中継器や加入者局を駆動するように構成することもできる。この態様は第15図に図解してある。この図において、一つの中継局158が加入者局164など一つ以上の加入者局および補助中継器160および162と無線交信状態にある。これら補助中継器160および162は加入者局166、168、170、172および174、および他の中継器176と無線交信状態にある。補助中継器162など補助中継器のいずれか１つを基地局178との直接交信状態にある最終段中継器として使うこともできる。
【００２５】
互いに異なるチャンネルで動作する多数の中継器を一箇所に設置し、互いに同期させて、それら中継器による送受信が同時に行われるようにし、それによって送受切換器の使用を回避することができる。そのような構成においては、基地局のRCCチャンネルをモニターするために主中継器を用い、その主中継器によって上記エミュレートした基地局のRCC経由で種々の加入者局に監視情報を中継する。このような構成においては、呼の設定時に、加入者局の各々に中継局チャンネルが割り当てられる。
【００２６】
上述のとおり、この発明によると、無線デイジタル電話システムにおいて無線周波数の利用を大幅に効率化することができ、その特徴を二重加入者通信、多元遠隔監視、交信範囲拡大のための無線デイジタル中継システムに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施したシステム全体のブロック図、
【図２】通常の基地局で用いられるRCC波形の概略図、
【図３】本発明で用いられるRCC波形の概略図、
【図４】本発明の粗同期に用いられる受信信号の振幅の正の縁部の概略図、
【図５】本発明における粗同期を達成する回路のブロック図、
【図６】本発明に用いられる受信AGC回路のブロック図、
【図７】本発明で用いられる周波数捕捉回路のブロック図、
【図８】本発明を実施した無線電話システム構成の概略図、
【図９】二重加入者システムである以外は第８図のシステムと同じであるシステムの概略図、
【図１０】第９図の二重加入者システムのフレーム・フォーマットの概略図、
【図１１】複数二重加入者システムのフレーム・フォーマットの概略図、
【図１２】一つ以上の機能を監視する目的に用いられる本発明を実施したシステムの概略図、
【図１３】本発明を実施した中継システムの概略図、
【図１４】多数の中継器を用いて本発明を実施したシステムの概略図、
【図１５】一つの中継器を複数の他の中継器および加入者局の駆動のために用いて本発明を実施したシステムの概略図である。
【符号の説明】
10 システム
12 電話機
14 電話インタフェース・ユニット
16 コーデック
18 音声処理装置
20 モデム
24 双投スイッチ
26 無線周波数(RF)送受信部
30 アンテナ
38 データ端末またはコンピュータ
44 制御回路
50,56 振幅計算回路
52 比較器
54 縁部検出器
70 離散的フーリエ変換装置
76 符号除去回路
78 濾波器
96 エミュレートした基地局
90 加入者ユニット
100 インタフェース・ユニット
102 二重加入者ユニット
116 エミュレートした二重基地局
122,148 エミュレートした基地局
124,126,128 加入者ユニット
132,140,142,144 データ端末
146,154,164,166,168,170,172,174 加入者局
150 通常の基地局
152,158,176 中継局
160,162 補助中継局
156,178 基地局

Claims (1)

1. 複数の無線周波数（ＲＦ）搬送波、すなわち各々が一つのアナログ音声信号を伝送できる所定の帯域幅を備え互いに等しい長さの複数のタイムスロットから成るフレームに分けられた複数のＲＦ搬送波でそれぞれ動作することができそれら複数のＲＦ搬送波の一つのＲＦ搬送波であってそのＲＦ搬送波とは別のＲＦ搬送波で伝送される制御チャネルにより割り当てられた一つのＲＦ搬送波を通じて少なくとも二つの通常の加入者局であるところの二次加入者局と同時に交信できるエミュレートした基地局であり、かつ変形した加入者局であるところの一次加入者局および前記少なくとも二つの二次加入者局であって、各々が前記一次加入者局と前記二次加入者局との間の双方向通信または二つの前記二次加入者局の間の前記一次加入者局経由の双方向通信を実行できる前記一次加入者局および前記少なくとも二つの二次加入者局、すなわち無線ディジタル通信システムの基地局とそれぞれ交信できる前記一次加入者局および前記少なくとも二つの二次加入者局を含む無線ディジタル通信システム用の加入者局システムであって、
   前記一次加入者局および前記二次加入者局の各々における周波数利用手段であって前記複数のＲＦ搬送波のうちの前記一つのＲＦ搬送波を用いるとともに、伝送すべき情報信号で前記一つのＲＦ搬送波をスペクトラム利用効率の高いアナログ信号の形に変調する周波数利用手段と、
   前記一次加入者局において前記制御チャネルで同期動作の基準を設定する手段および前記二次加入者局の各々において、前記一次加入者局との交信および自局以外の前記二次加入者局との交信が可能になるように、前記制御チャネル経由で設定された前記同期動作の基準に従って自局のタイミングを同期させる手段と、
   前記一次加入者局および前記二次加入者局の各々において、前記フレームの各々の前半の一つのタイムスロットで前記一次加入者局から前記二次加入者局のそれぞれ対応の一つへの前記情報信号の伝送のためのチャンネルを構成し前記フレームの各々の後半の一つのタイムスロットで前記二次加入者局のそれぞれ対応の一つから前記一次加入者局への前記情報信号の伝送のためのチャンネルを構成するように前記一つのＲＦ搬送波の前記タイムスロットの選ばれた一つに前記情報信号を導く手段と
   を含む無線ディジタル通信システム用の加入者局システムにおいて、前記二次加入者局の各々が、
   前記一つのＲＦ搬送波を受信するとともに、前記伝送すべき情報信号で前記一つのＲＦ搬送波をスペクトラム利用効率の高いアナログ信号の形に変調する手段と、
   前記設定された同期動作の基準に従って自局のタイミングを同期させる手段と、
   前記フレームの各々の後半の一つのタイムスロットで前記二次加入者局から前記一次加入者局への前記情報信号の伝送のためのチャンネルを形成するように前記一つのＲＦ搬送波の前記タイムスロットの選ばれた一つに前記情報信号を導く手段と
   を含む前記加入者局システム。

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