JP4354245B2 - 無線中継装置 - Google Patents

Description

本発明は、地上系無線設備に関し、特に、同一周波数で電波を中継する無線中継装置に関する。

通信や放送の分野において、基地局からの電波を遠方に届ける場合や、ビル影、トンネル、地下などの不感地帯へ電波を届ける場合、好条件の場所で良好に電波を受信し、増幅して再送信を行う無線中継装置が用いられる。

この無線中継装置には、受信する周波数と異なる周波数で再送信する方式のものと、同一の周波数で再送信する方式のものとがあるが、異なる周波数で再送信する方式の場合、再送信用の帯域の確保や端末で無線チャネルを切り替えるなどの対応が必要であるため、同一周波数で再送信する方式の無線中継装置の使用が望ましい。

しかし、同一周波数で再送信する場合、無線中継装置から送信する電波が無線中継装置の受信アンテナに回り込み、信号品質を劣化させる問題がある。特に、基地局からの直接波と回り込み波のレベル比（Ｄ／Ｕ比）が１を超える場合、無線中継装置はループ発振する。

そこで、従来、図８のように無線中継装置の受信アンテナ１０１と送信アンテナ１０５の間隔を十分に離して設置し回り込み波のレベルを減衰させる方式や、図９のように送信アンテナ２０５から受信アンテナ２０１への回り込み成分を推定器２０６で推定し逆相を加算器２０３で加算することで基地局からの直接波成分のみを送信する方式が提案された（非特許文献１）。
濱住，中原，土田著，「放送波中継によるＳＦＮの実現をめざして」、ＮＨＫ技研Ｒ＆Ｄ、２００１−７、Ｎｏ．６８、ｐｐ．４６−５１ 前山、井上、上村、大和著、「干渉抑圧機能を搭載したＣＤＭＡ用リピータ装置の開発」、電子情報通信学会信学技報、２００２−０３、ＳＳＴ２００１−１１０、ＡＰ２００１−２５８、ＲＣＳ２００１−２９３、ＭｏＭｕＣ２００１−９０、ＭＷ２００１−２２８、ｐｐ．６５−７０

しかし、図８の方式では、アンテナ間の距離を確保するために設置場所が限定されるという問題や、長距離ケーブル１０３の配線など設置コストが大きいという問題があった。さらに、図８の方式では、長距離ケーブル１０３で信号が減衰するため、低雑音増幅器１０２の増幅率を高める必要があり、また高電力増幅器１０４の雑音指数を十分低くする必要があるなど、機器コストやサイズが大きくなる問題もあった。

また、図９の方式では、基地局からの直接波よりも回り込み波の信号レベルが非常に大きい場合、低雑音増幅器２０２が飽和する問題があるため、再送信電力を大きくできないという問題があった。この問題を解決する方式として非特許文献２のように低雑音増幅器２０２の前段で回り込み成分の逆相を加算する方式も提案されているが、この非特許文献２の方式では、送信アンテナが接続されるケーブルの長さによって信号は遅延するため、加算器によって回り込み成分を打ち消すためには、内部ループの信号を遅延させなければならないという問題がある。また、非特許文献２は無線／光変換装置と光ファイバによって構成されているが、かかる構成では、コストが大きくなる上に送信アンテナケーブルの長さに応じて遅延量を変えることができない。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑み、低コストで再送信電力の大きな、同一周波数を中継する無線中継装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記課題は、次の手段によって解決される。

第１の発明は、無線信号を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナに接続される受信機と、前記受信機の出力を少なくとも２系統に分配する分配器と、前記分配器からの各系統にそれぞれ具備される少なくとも２つの送信機と、前記少なくとも２つの送信機にそれぞれ接続される少なくとも２つの送信アンテナと、前記受信機の出力を入力され、前記少なくとも２つの送信アンテナから前記受信アンテナに回り込む信号を検出する回り込み信号検出器と、前記分配器と前記少なくとも２つの送信機とをそれぞれ結ぶ少なくとも２つの経路のうちの少なくとも１つの経路に具備され、前記回り込み信号検出器の出力と前記分配器の出力とを入力し、前記回り込み信号検出器の出力が最小となるように前記分配器の出力に対する補償の量を変化させる制御を行い、該制御によって補償された信号を出力する補償器と、を備えることを特徴とする無線中継装置である。

第２の発明は、無線信号を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナに接続される受信機と、前記受信機の出力を少なくとも２系統に分配する分配器と、前記分配器からの各系統にそれぞれ具備される少なくとも２つの送信機と、前記少なくとも２つの送信機にそれぞれ接続される少なくとも２つの送信アンテナと、前記受信機に接続され、前記少なくとも２つの送信アンテナから前記受信アンテナに回り込む信号を検出する回り込み信号検出器と、前記分配器と前記少なくとも２つの送信機とをそれぞれ結ぶ少なくとも２つの経路のうちの少なくとも１つの経路に具備され、前記回り込み信号検出器の出力と前記分配器の出力とを入力し、前記回り込み信号検出器の出力が所定の値を維持するように前記分配器の出力に対する補償の量を変化させる制御を行い、該制御によって補償された信号を出力する補償器と、を備えることを特徴とする無線中継装置である。

第３の発明は、前記回り込み信号検出器は、受信信号と既知信号との差を求めることによって、前記回り込む信号を検出することを特徴とする第１の発明または第２の発明に係る無線中継装置である。

第４の発明は、前記回り込み信号検出器は、受信信号のレベルを計測する受信信号レベル計測器であることを特徴とする第１の発明または第２の発明に係る無線中継装置である。

第５の発明は、前記回り込み信号検出器は、受信信号におけるビットエラーレートを検出するビットエラーレート検出器であることを特徴とする第１の発明または第２の発明に係る無線中継装置である。

第６の発明は、前記補償器は、適応フィルタであることを特徴とする第１の発明〜第５の発明のいずれか１つに係る無線中継装置である。

第７の発明は、前記補償器は、適応振幅位相器であることを特徴とする第１の発明〜第５の発明のいずれか１つに係る無線中継装置である。

第８の発明は、第１の発明〜第７の発明のいずれか１つに係る無線中継装置において、前記回り込み信号検出器の出力を入力し、前記入力された回り込み信号検出器の出力が所定の値より小さければ増幅率を上げるように前記送信機を制御し、前記入力された回り込み信号検出器の出力が所定の値より大きければ増幅率を下げるように前記送信機を制御する制御器をさらに備え、前記制御器は、電源投入時又は初期化時に前記送信機の出力電力を抑え、その後、段階的に前記送信機の出力電力を増加又は減少させることを特徴とする無線中継装置である。

第９の発明は、第８の発明に係る無線中継装置において、前記補償器は、さらに、前記送信機の増幅率に関する情報を前記制御器から取得し、この取得した前記送信機の増幅率に関する情報に基づいて前記補償の量を変化させる、ことを特徴とする無線中継装置である。

本発明によれば、同一周波数の電波を中継して再送信する無線中継装置において、低コストでしかも大きな増幅率で再送信することが可能となる。

以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態を示す図である。

図１に示すように、受信アンテナ１で受信された信号は低雑音増幅器を含む受信機２に入力される。受信機２の出力は分配器５で２系統に分配される。分配器５からの２系統にはそれぞれ送信機８、９が具備されている。送信機８、９の出力は、それぞれアンテナ１０、１１から送信される。

送信機９が具備されている系統には補償器２０が具備されている。この補償器２０は、受信機２に接続された回り込み信号検出器２１の出力を用いて、送信アンテナ１０、１１から送信される信号が受信アンテナ１の位置で相殺されるように受信機２の出力を補償する。なお、補償器２０は、回り込み信号検出器２１の出力を最小にするように受信機２の出力を補償してもよいし、回り込み信号検出器２１の出力を所定の値に維持するように受信機２の出力を補償してもよい。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、送信アンテナ１０、１１から送信される信号が受信アンテナ１１の位置で相殺されるように、受信機２の出力（すなわち、送信機９に入力される信号）が補償される。このため、本発明の実施の形態によれば、受信アンテナ１で受信される受信信号が基地局からの直接波のみとなる。したがって、本発明の実施の形態によれば、受信機２が具備する低雑音増幅器が飽和しないため再送信電力を大幅に増加できる。

また、本発明の実施の形態によれば、上記したように送信アンテナ１０、１１から送信される信号が受信アンテナ１１の位置で相殺されて受信信号が基地局からの直接波のみとなるため、送信アンテナ１０、１１と受信アンテナ１の距離を確保する必要がなくなり、無線中継装置を小型化できる。したがって、本発明によれば、無線中継装置の設置場所が限定されず、また、無線中継装置の設置コストを大幅に削減できる。

なお、上記実施の形態では、説明の便宜のために、受信機２の出力が分配器５で２系統に分配される場合について説明したが、本発明においては、受信機２の出力を分配器５で３以上の系統に分配することも可能である。この場合は、送信機の数および送信アンテナの数も３以上となる。

また、上記実施の形態では、補償器２０を送信機９が具備されている系統に設けているが、補償器２０は、任意の系統に設けることもできるし、すべての系統に設けることもできる。

図２は、本発明の実施例１を示す図である。

図２に示すように、実施例１では、回り込み信号検出器２１をパイロット信号などの既知信号と受信機２の出力との差を出力する構成としている。また、実施例１では、補償器２０がＦＩＲフィルタと係数乗算器とを含む適応フィルタによって構成されており、ＬＭＳ（最小二乗法）アルゴリズムを用いて受信信号と既知信号との差を最小化する。すなわち、補償器２０は、回り込み信号検出器２１の出力に係数乗算器で係数μを乗算してＦＩＲフィルタに入力し、ＦＩＲフィルタの係数を更新する。

以上説明した実施例１によれば、送信アンテナ１０，１１から送信される信号が受信アンテナ１で相殺される。

なお、実施例１では、補償器２０が適応フィルタで構成されているが、本発明においては、補償器２０を適応振幅位相器で構成することもできる。

また、実施例１では、補償器２０が受信信号と既知信号との差を最小化するように受信機２の出力を補償しているが、本発明においては、補償器２０を、受信信号と既知信号との差を所定の値に維持するように受信機２の出力を補償する構成とすることも可能である。

図３は、本発明の実施例２を説明する図である。

図３に示すように、実施例２では、回り込み信号検出器２１を信号レベル検出器３で構成し、補償器２０を振幅位相制御器４と位相器６と可変増幅率増幅器７とを含む適応振幅位相器で構成している。

ここで、移相器６の移相量をΔφ_１とし、基地局から受信アンテナ１への直接波をｓ（ｔ）とし、受信アンテナ１で受信された信号が送信アンテナ１０から送信され回り込んで再び受信アンテナ１で受信されるまでの時間および位相差をそれぞれτ、Δφ_３とし、送信アンテナ１０、１１から受信アンテナ１までの距離差に起因する位相差をΔφ_２とする。すると、受信アンテナ１で受信される信号Ｒ（ｔ）は次のようになる。

ここでｇ_１、ｇ_２は中継装置の増幅率であり、ｇ_１は受信機２の増幅器（低雑音増幅器）の増幅率と送信機８の増幅器（高電力増幅器）の増幅率と送信アンテナ１０から受信アンテナ１間の伝播損失との積であり、ｇ_２は受信機２の増幅率と可変増幅率増幅器７の増幅率と送信機９の増幅率と送信アンテナ１１から受信アンテナ１間の伝播損失との積である。ｓ（ｔ）とｓ（ｔ−τ）を無相関とすると、受信信号レベルＰ（ｔ）は次のようになる（ここでは、簡単のために、受信機２の増幅率を１とする）。

ここで、Ｅは平均、^＊は複素共役、Ｓ＝Ｅ（ｓｓ^＊）である。Ｐ（ｔ）の最小値は、

であり、数３を満足する増幅率と移相量とは、

である。このとき受信アンテナ１で受信される信号は、

となる。よって、実施例２において、受信信号レベルが最小となるように、移相器６と可変増幅率増幅器７を振幅位相制御器４で制御すると、受信アンテナ１で受信される電波が直接波と等価となり、回り込み波を除去できる。

なお、実施例２では、適応振幅位相器が振幅位相制御器４、移相器６、可変増幅率増幅器７で構成されるものとしたが、本発明は、適応振幅位相器をこの構成に限定するものではない。

以下、説明を簡単にするために、適応振幅位相器を送信信号に作用させるものとする。

回り込み信号検出器出力の最小値を探索するアルゴリズムには、例えば文献（井上、貝塚著、「移動局用ステップトラック方式」、電子通信学会信学技報、１９７５−２−２６、ＣＳ７４−１７０、ｐｐ．４９−５６）に示されるステップトラックなどが適用可能である。ステップトラックとは、適応振幅位相器ならば振幅と位相を変化させたときの回り込み信号検出器出力の変化から、最適な値となるように振幅と位相を制御する探索アルゴリズムである。たとえば、実施例２を移相器のみの構成とし、受信レベルを最小とするアルゴリズムでは、＋Δφ位相を変化させたときに受信レベルが減少すれば次のステップでも＋Δφ位相を変化させ、逆に受信レベルが増加すれば次のステップでは−Δφ位相を変化させる。この方法によって最小の受信レベルとなる。なお、ステップトラックで振幅位相制御を行う場合は振幅と位相を交互にトラッキングする。

以下では、説明の便宜のために、適応振幅位相器の制御にステップトラックを用いる場合について説明するが、本発明における適応振幅位相器の制御方法がステップトラックに限定されるものでないことはいうまでもない。

つぎに、本発明の実施例３について説明する。実施例３は、適応振幅位相器２０が信号レベル計測器２１の出力を所定の値に維持するように移相器６および可変増幅率増幅器７を制御する点で、実施例２と相違する。実施例２が回り込み波と直接波とが無相関である場合に有効な手法であるのに対し、実施例３は回り込み波と直接波に相関がある場合に有効な手法である。

受信アンテナ１で受信された信号が送信アンテナ１０から送信され回り込んで再び受信アンテナ１で受信されるまでの直接波との位相差をΔφ_３とする。以下では簡単のためｇ＝ｇ_１＝ｇ_２とする。直接波と回り込み波に相関がある場合、受信アンテナ１で受信される信号Ｒ（ｔ）は次のようになる。

信号レベル計測器３で計測される信号レベルＰ（ｔ）には相関の項が残り、次のようになる。

この信号レベルをＳに維持するときのΔφ_１の解の１つはΔφ_１＝−Δφ_２±πであり、このとき受信アンテナ１で受信される信号は、

となる。したがって、受信アンテナ１で受信される信号は、直接波と等価となる。

また、Δφ_１＝−Δφ_２±π以外で収束する場合、受信アンテナ１で受信される信号は、

となる（なお、ｇが大きな場合やΔφ_３が小さな場合、Δφは小さい）。したがって、Δφ_１＝−Δφ_２±π以外で収束する場合、受信アンテナ１で受信される信号は、直接波の位相を回転させた信号と等価となる。

以上説明したように、実施例３によれば、信号レベルが所定の値に維持されるため、回り込み波の影響を除去できる。

なお、実施例３では、信号レベル計測器３で回り込み信号検出器２１を構成したが、本発明においては、信号レベル計測器３以外の手段（たとえば、上記した既知信号と受信機２の出力との差を出力する手段や後述するエラーレート検出器など）で回り込み信号検出器２１を構成することもできる。

図４は、本発明の実施例４を示す図である。

図４に示すように、実施例４は、復調器１２とビットエラーレート計測器１３とを含むビットエラーレート検出器で回り込み信号検出器２１を構成する。また、補償器２０においては、ビットエラーレート検出器で検出されるエラーレートが最も低くなるように移相器６と可変増幅率増幅器７とが振幅位相制御器４で制御される。

直接波と回り込み波が無相関の場合、直接波にとって回り込み波は雑音となるため、補償器２０がエラーレートが最も低くなるように受信信号の位相と振幅とを補償する実施例４によれば、受信アンテナ１の位置において直接波を得ることができる。

図５は、本発明の実施例５を説明する図である。

図５に示すように、実施例５は、回り込み信号検出器２１の出力を入力され、送信機８、９の増幅率を変化させる増幅率制御器１５を備えている。

実施例５においては、まず、送信を停止した状態（送信機８、９の増幅率がゼロの状態）での回り込み成分Ｓが回り込み信号検出器２１で測定される。

つぎに、増幅率制御器１５に閾値ΔＨ_１、ΔＨ_２が設定される。

増幅率制御器１５は、振幅位相制御器４による移相器６と可変増幅率増幅器７との制御によって回り込み成分が閾値Ｓ＋ΔＨ_１以内に維持されていれば送信機８、９の増幅率を上げ、逆に、回り込み成分が閾値Ｓ＋ΔＨ_２を超え続けていれば送信機８、９の増幅率を下げる。

増幅率の計算と制御とは増幅率制御器１５によって行われる。

電源投入時や初期化時など、補償器（適応フィルタあるいは適応振幅位相器など）が制御されていない段階で大電力で再送信した場合、回り込み波が受信アンテナの位置で相殺されずに発散するため、信号品質は著しく劣化する。

これを防止するため、実施例５は、補償器（適応フィルタあるいは適応振幅位相器）を制御して送信機の出力電力を最初は抑える。そして、実施例５は、信号に含まれる誤差成分を監視して段階的に電力を増加または減少させる。

よって、実施例５によれば、回り込みによる無線中継装置のループ発振および送信機出力の信号品質劣化を防止することができるため、受信信号１で受信した信号をすみやかに要求送信機出力電力で再送信できる。

図６は、本発明の実施例６を説明する図である。

実施例６は、振幅位相制御器４が増幅率制御器１５から送信機８、９の増幅率を取得し、この取得した増幅率を用いて位相器６および可変増幅率増幅器７を制御する点で、実施例５と相違する。

ステップトラックのステップ量（移相量）をΔφとすると、仮に今、回り込み波が正確に相殺されているならば、１回のステップによって回り込み波がｇｓΔφ増加する。ここでｇを無線中継装置の増幅率および伝播損失を考慮した回り込みゲインとし、ｓを直接波とする。

直接波と回り込み波の比（Ｄ／Ｕ比）が１を超える場合は系が発散することを考慮すると、

を必ず満足しなければならない。振幅も同様である。

実施例６によれば、振幅位相制御器４が、無線中継装置の増幅率の情報を増幅率制御器１５から取得し、この取得した増幅率に応じて振幅と移相のステップ量を適切に変える制御を行う。ステップ量と送信機出力の関係によっては信号レベルが収束しない場合または発散する場合があるが、実施例６によれば、両者の関係を適切に制御できるため、すみやかに信号レベルを収束させることができる。

なお、係数乗算器とＦＩＲフィルタとを含む適応フィルタで補償器２０を構成した場合にも、係数乗算器における忘却係数μの値を無線中継装置の増幅率に応じて適切に変えることによって、発散を防止できる。

図７は、実施例６のシミュレーション結果示す図であり、変調方式としてＱＰＳＫを使用し、無線中継装置の増幅率を６０ｄＢまで増加させ、可変増幅率増幅器の増幅率を１で固定して移相量のみをステップトラックによって制御したときのビットエラーレートが示されている。なお、回り込み信号検出器には、受信信号レベル検出器を使用した。

図７から、劣化はおよそ１ ｄＢ以内に抑えられていることが確認できる。

本発明の実施の形態を示す図である。 本発明の実施例１を示す図である。 本発明の実施例２を示す図である。 本発明の実施例４を示す図である。 本発明の実施例５を示す図である。 本発明の実施例６を示す図である。 本発明の実施例６のシミュレーション結果示す図である。 従来の無線中継装置（その１）を示す図である。 従来の無線中継装置（その２）を示す図である。

符号の説明

１ 受信アンテナ
２ 受信機
３ 信号レベル計測器
４ 振幅位相制御器
５ 分配器
６ 移相器
７ 可変増幅率増幅器
８ 送信機
９ 送信機
１０ 送信アンテナ
１１ 送信アンテナ
１２ 復調器
１３ ビットエラーレート計測器
１５ 増幅率制御器
２０ 補償器
２１ 回り込み信号検出器
１０１ 受信アンテナ
１０２ 低雑音増幅器
１０３ 長距離ケーブル
１０４ 高電力増幅器
１０５ 送信アンテナ
２０１ 受信アンテナ
２０２ 低雑音増幅器
２０３ 加算器
２０４ 高電力増幅器
２０５ 送信アンテナ
２０６ 推定器

Claims (9)

1. 無線信号を受信する受信アンテナと、
   前記受信アンテナに接続される受信機と、
   前記受信機の出力を少なくとも２系統に分配する分配器と、
   前記分配器からの各系統にそれぞれ具備される少なくとも２つの送信機と、
   前記少なくとも２つの送信機にそれぞれ接続される少なくとも２つの送信アンテナと、
   前記受信機の出力を入力され、前記少なくとも２つの送信アンテナから前記受信アンテナに回り込む信号を検出する回り込み信号検出器と、
   前記分配器と前記少なくとも２つの送信機とをそれぞれ結ぶ少なくとも２つの経路のうちの少なくとも１つの経路に具備され、前記回り込み信号検出器の出力と前記分配器の出力とを入力し、前記回り込み信号検出器の出力が最小となるように前記分配器の出力に対する補償の量を変化させる制御を行い、該制御によって補償された信号を出力する補償器と、
   を備えることを特徴とする無線中継装置。
2. 無線信号を受信する受信アンテナと、
   前記受信アンテナに接続される受信機と、
   前記受信機の出力を少なくとも２系統に分配する分配器と、
   前記分配器からの各系統にそれぞれ具備される少なくとも２つの送信機と、
   前記少なくとも２つの送信機にそれぞれ接続される少なくとも２つの送信アンテナと、
   前記受信機に接続され、前記少なくとも２つの送信アンテナから前記受信アンテナに回り込む信号を検出する回り込み信号検出器と、
   前記分配器と前記少なくとも２つの送信機とをそれぞれ結ぶ少なくとも２つの経路のうちの少なくとも１つの経路に具備され、前記回り込み信号検出器の出力と前記分配器の出力とを入力し、前記回り込み信号検出器の出力が所定の値を維持するように前記分配器の出力に対する補償の量を変化させる制御を行い、該制御によって補償された信号を出力する補償器と、
   を備えることを特徴とする無線中継装置。
3. 前記回り込み信号検出器は、受信信号と既知信号との差を求めることによって、前記回り込む信号を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線中継装置。
4. 前記回り込み信号検出器は、受信信号のレベルを計測する受信信号レベル計測器であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線中継装置。
5. 前記回り込み信号検出器は、受信信号におけるビットエラーレートを検出するビットエラーレート検出器であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線中継装置。
6. 前記補償器は、適応フィルタであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の無線中継装置。
7. 前記補償器は、適応振幅位相器であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の無線中継装置。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の無線中継装置において、
   前記回り込み信号検出器の出力を入力し、前記入力された回り込み信号検出器の出力が所定の値より小さければ増幅率を上げるように前記送信機を制御し、前記入力された回り込み信号検出器の出力が所定の値より大きければ増幅率を下げるように前記送信機を制御する制御器をさらに備え、
   前記制御器は、電源投入時又は初期化時に前記送信機の出力電力を抑え、その後、段階的に前記送信機の出力電力を増加又は減少させる
   ことを特徴とする無線中継装置。
9. 請求項８に記載の無線中継装置において、
   前記補償器は、さらに、前記送信機の増幅率に関する情報を前記制御器から取得し、この取得した前記送信機の増幅率に関する情報に基づいて前記補償の量を変化させる、
   ことを特徴とする無線中継装置。