JP4447337B2 - 無線通信装置 - Google Patents
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Description
また、このような基地局装置では、各アンテナにおける送信処理と受信処理との間の誤差や、複数のアンテナにおける送信処理の間の誤差或いは受信処理の間の誤差を補正(キャリブレーション)するために、アンテナのキャリブレーションの処理が行われる(例えば、特許文献1参照。)。
本発明は、このような従来の事情に鑑み為されたもので、例えば、運用中にアンテナのキャリブレーションに関する特性が変化するような場合においても、適切なアンテナキャリブレーションを実現することができる無線通信装置を提供することを目的とする。
すなわち、アンテナ割り当て切り替え手段が、複数のアンテナの中で、無線通信に用いるアンテナと、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いるアンテナの割り当てを切り替える。そして、無線通信手段が、アンテナ割り当て切り替え手段により無線通信に用いるものとして割り当てられたアンテナを用いて、無線により通信する。また、アンテナキャリブレーション処理実行手段が、アンテナ割り当て切り替え手段によりアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いるものとして割り当てられたアンテナを用いて、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する。
また、キャリブレーション処理を実行するために用いられ得るアンテナ系を、次のような構成とした。
すなわち、アンテナと、アンテナにより送信する対象となる信号を処理する送信信号処理手段と、アンテナにより受信されるキャリブレーション処理を実行するための信号を処理するキャリブレーション用受信信号処理手段を備え、そして、スイッチ手段が、送信対象となる信号を送信する場合には送信信号処理手段とアンテナとを接続する一方、キャリブレーション処理を実行するための信号を受信する場合にはキャリブレーション用受信信号処理手段とアンテナとを接続するように、切り替える。
ここで、送信信号処理手段や、キャリブレーション用受信信号処理手段や、スイッチ手段としては、それぞれ、種々な構成のものが用いられてもよい。
また、送信信号処理手段とアンテナとは、例えば、直接的に接続される構成が用いられてもよく、或いは、フィルタなどの他の回路素子を介して間接的に接続される構成が用いられてもよい。
同様に、キャリブレーション用受信信号処理手段とアンテナとは、例えば、直接的に接続される構成が用いられてもよく、或いは、フィルタなどの他の回路素子を介して間接的に接続される構成が用いられてもよい。
本発明に係る無線通信装置では、複数のアンテナを備え、次のようにして、1又は2以上のアンテナを用いて無線により通信するとともに、1又は2以上のアンテナを用いてアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する。
すなわち、アンテナ割り当て切り替え手段が、複数のアンテナの中で、無線通信に用いるアンテナとアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いるアンテナの割り当てを切り替える。そして、無線通信手段が、アンテナ割り当て切り替え手段により無線通信に用いるものとして割り当てられたアンテナを用いて、無線により通信する。また、アンテナキャリブレーション処理実行手段が、アンテナ割り当て切り替え手段によりアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いるものとして割り当てられたアンテナを用いて、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する。
ここで、無線通信装置に備えられる複数のアンテナの総数としては、種々な数が用いられてもよく、一例として、無線通信に用いられるアレイアンテナを構成する2以上のアンテナと、キャリブレーション処理を実行するために用いられる1つのアンテナが備えられる。
また、無線通信に用いられるアンテナの数としては、特に限定はなく、1つであってもよく、或いは、2以上であってもよい。
また、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いられるアンテナの数としては、特に限定はなく、1つであってもよく、或いは、2以上であってもよい。
また、アンテナ系に関するキャリブレーション処理としては、種々な処理が用いられてもよく、例えば、無線通信に用いられるアンテナの系の送信や受信や送受信に関する信号振幅の誤差や信号位相の誤差を補正するための処理が用いられる。
また、複数のアンテナの中で無線通信に用いるアンテナとアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いるアンテナの割り当てを切り替える態様としては、種々な態様が用いられてもよく、例えば、運用中に動的に切り替える態様を用いることもできる。
また、アンテナ割り当て切り替え手段による切り替えを行うタイミングとしては、種々なタイミングが用いられてもよく、例えば、定期的なタイミングが用いられてもよく、また、例えば、ガードタイムの期間のように、実質的に情報の無線通信が行われない期間にアンテナ割り当ての切り替えを行うような態様を用いることもできる。
すなわち、無線通信手段により通信相手から無線受信する通信信号の周波数(第1周波数)と、無線通信手段により通信相手に対して無線送信する通信信号の周波数(第2周波数)とは異なっている。
そして、それぞれのアンテナ系では、受信信号処理経路とキャリブレーション処理系路を備え、使用処理経路切り替え手段が受信信号処理系路とキャリブレーション処理経路とで使用する処理系路を切り替える。
また、受信信号処理経路では、第1周波数成分抽出手段がアンテナにより無線受信される信号から第1周波数の成分を抽出し、増幅手段が第1周波数成分抽出手段による抽出結果を増幅させ、第1の周波数変換手段が増幅手段による増幅結果を所定の周波数の信号へ変換する。
また、キャリブレーション処理系路では、第2周波数成分抽出手段がアンテナにより無線受信される信号から第2周波数の成分を抽出し、減衰手段が第2周波数成分抽出手段による抽出結果を減衰させ、第2の周波数変換手段が減衰手段による減衰結果を所定の周波数の信号へ変換する。
ここで、通信相手としては、種々なものが用いられてもよい。一例として、無線通信装置を移動体無線通信システムの基地局装置に適用した場合には、通信相手として移動局装置などを用いることができる。
また、通信相手から無線受信する通信信号や、通信相手に対して無線送信する通信信号としては、それぞれ、種々な信号が用いられてもよい。
また、第1周波数や、第2周波数としては、それぞれ、種々な周波数が用いられてもよい。
また、アンテナ系のキャリブレーション処理を実行するために使用される信号としては、例えば、通信相手に対して無線送信する通信信号が用いられてもよく、或いは、キャリブレーションに専用の信号が用意されて用いられてもよい。
また、第1の周波数変換手段による変換後の所定の周波数の信号の当該周波数と、第2の周波数変換手段による変換後の所定の周波数の信号の当該周波数としては、それぞれ、種々な周波数が用いられてもよく、例えば、互いに同一の周波数が用いられる。
ここで、それぞれのアンテナとしては、種々なアンテナが用いられてもよい。また、種々なアンテナの配置が用いられてもよい。
一構成例として、無線通信に用いられるアンテナから無線送信される信号(例えば、通信信号、或いは、キャリブレーション用の信号)を、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いられるアンテナにより受信し、当該受信結果に基づいて、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する。例えば、アンテナ系について送信と受信との間のキャリブレーション(送受信キャリブレーション)などを実行する。
一構成例として、複数のアンテナの中で、1つのアンテナがアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いられ、残りのアンテナが無線通信に用いられる。
一構成例として、複数のアンテナの中で、2以上のアンテナがアンテナ系に関するキャリブレーション処理に用いられ、残りのアンテナが無線通信に用いられる。
一構成例として、無線通信では、複数のアンテナがアレイアンテナとして用いられる。例えば、複数のアンテナがアダプティブアレイアンテナとして用いられる。
一構成例として、いずれかのアンテナの系に障害が発生した場合には、残りのアンテナの中で無線通信に用いるアンテナとアンテナ系に関するキャリブレーション処理に用いるアンテナが割り当てられる。
ここで、アンテナ系の障害としては、種々なものが用いられてもよく、例えば、アンテナの障害や、アンテナ以外の受信回路などの障害が用いられる。
一構成例として、いずれかのアンテナの系に障害が発生した場合には、障害が発生したアンテナ系の数と同数のアンテナを無線通信に用いる複数のアンテナから除外する。
一構成例として、いずれかのアンテナに障害が発生した場合には、その旨を管理側などへ通知する。
一構成例として、送信アンテナと受信アンテナが異なる場合には、アレイアンテナ(例えば、アダプティブアレイアンテナ)を構成する数の送信アンテナのアンテナ系が確保され、残りのアンテナ系の全部又は一部の受信アンテナがアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いられる。
また、本発明に係る無線通信装置によると、キャリブレーション処理を実行するために用いられ得るアンテナ系では、送信対象となる信号を送信する場合には送信信号処理機能部とアンテナとを接続する一方、キャリブレーション処理を実行するための信号を受信する場合にはキャリブレーション用受信信号処理機能部とアンテナとを接続するように信号処理経路の接続状態を切り替えるようにしたため、例えば、アンテナにより受信されてキャリブレーション用受信信号処理機能部により処理される信号が、送信信号処理機能部により処理される信号によって干渉されてしまうようなことを防止することができる。
本実施例では、複数である(N+1)個の送信系(送信アレイ系列)から構成されたアダプティブアレイアンテナと複数であるN個の受信系(受信アレイ系列)から構成されたアダプティブアレイアンテナを備えた移動体無線通信の基地局装置に本発明を適用した場合を示す。また、本実施例では、アンテナの送受信キャリブレーションなどのキャリブレーション処理を行う場合を示す。
本例の基地局装置は、(N+1)個の送信系のそれぞれに、アンテナA1〜AN、Acと、送信回路(Tx)B1〜BN、Bcと、D/A(Digital to Analog)変換器(DAC)C1〜CN、Ccと、送信信号に対して各アンテナA1〜AN、Acの送信ウエイトを乗算するための乗算器D1〜DN、Dcと、A/D(Analog to Digital)変換器(ADC)E1〜EN、Ecと、各アンテナA1〜AN、Acの受信信号に対して各アンテナA1〜AN、Acの受信ウエイトを乗算するための乗算器F1〜FN、Ecを備えている。また、(N+1)個の送信系に共通に、受信ウエイト乗算後の各アンテナA1〜AN、Acによる受信信号を総和してアダプティブアレイアンテナ全体としての受信信号を取得する加算器1を備えている。
また、本例の基地局装置は、N個の受信系のそれぞれに、アンテナG1〜GNと、受信回路(Rx)H1〜HNと、A/D変換器I1〜INと、各アンテナG1〜GNの受信信号に対して各アンテナG1〜GNの受信ウエイトを乗算するための乗算器J1〜JNを備えている。また、N個の受信系に共通に、受信ウエイト乗算後の各アンテナG1〜GNによる受信信号を総和してアダプティブアレイアンテナ全体としての受信信号を取得する加算器2を備えている。
また、本例の基地局装置は、例えば送信系の加算器1からの出力に基づいて各アンテナA1〜AN、Acの受信ウエイトや各アンテナA1〜AN、Acの送信ウエイトを算出することやアンテナのキャリブレーションの処理を行うキャリブレーション計算回路3と、例えば受信系の加算器2からの出力に基づいて各アンテナG1〜GNの受信ウエイトを算出することを行うウエイト計算回路4を備えている。また、キャリブレーション計算回路3とウエイト計算回路4は、互いに情報をやりとりすることが可能である。
なお、本例の基地局装置では、主に、送信系のアダプティブアレイアンテナの構成に特徴があり、受信系のアダプティブアレイアンテナの構成としては一般的なものを使用することが可能であるため、以下では、送信系について詳しく説明する。
本例の送信回路B1は、送信周波数帯のバンドパスフィルタ(BPF:Band Pass Filter)11と、送信回路系とキャリブレーション受信系との2つの信号処理系を切り替えるためのスイッチ12を備えている。また、一方の信号処理系である送信回路系として、基地局装置から送信する対象となる送信周波数の信号について周波数変換及び増幅を行う周波数変換増幅部(Tx−Circuit)13を備えている。また、他方の信号処理系であるキャリブレーション受信系として、他のアレイ系列の送信キャリブレーションを行うための可変減衰器(ATT)14及びキャリブレーション受信回路部15を備えている。
送信系の送信回路B1では、例えばアンテナA1から信号を送信する場合には、送信バンドパスフィルタ11と送信回路系の周波数変換増幅部13とが接続されるようにスイッチ12を切り替えて、D/A変換器C1から入力される信号を周波数変換増幅部13により処理した後に、当該処理後の信号を送信バンドパスフィルタ11を介してアンテナA1へ出力する。
このように、本例の送信系の送信回路B1〜BN、Bcでは、アンテナA1〜AN、Acにより送信が行われるときには送信信号がアンテナA1〜AN、Acへ供給されるようにすることができるとともに、アンテナA1〜AN、Acがキャリブレーション用のアンテナとして使用されるときにはキャリブレーションのための受信信号が送信信号と混ざらないようにしてキャリブレーション受信系により受信することができる。
各アンテナA1〜AN、Acにより無線受信された信号は、それぞれの送信回路B1〜BN、Bcに入力される。
各送信回路B1〜BN、Bcでは、キャリブレーションを行う場合には、スイッチ12により他方の信号処理系であるキャリブレーション受信系へ切り替える。この場合、受信信号が送信バンドバスフィルタ11を通過した後に、例えば位相特性や振幅特性が既知な可変減衰器14により当該信号のレベルを適切なレベルにコントロールし、その後、当該信号の周波数をキャリブレーション受信回路部15により例えば受信IF周波数帯と同じ周波数にして、当該信号が各A/D変換器E1〜EN、Ecへ出力される。
各送信回路B1〜BN、Bcのキャリブレーション受信系を通過した信号は、各A/D変換器E1〜EN、Ecによりアナログ信号からデジタル信号へ変換され、キャリブレーション計算回路3やウエイト計算回路4による計算結果に基づいて各乗算器F1〜FN、Fcにより複素振幅の重み付けが行われる。そして、重み付け後の(N+1)個の受信信号が加算器(合成器)1により加算(合成)され、当該加算結果が受信信号としてキャリブレーション計算回路3へ出力される。
なお、重み付けでは、各アンテナA1〜AN、Acによる受信信号と各アンテナA1〜AN、Acに対応した受信ウエイトとが各乗算器F1〜FN、Fcにおいて乗算される。
また、1つの系だけからのキャリブレーション受信系による受信信号しかない場合には、加算器1からの出力は当該1系統の出力(重み付けされた受信信号)に相当する。
各送信回路B1〜BN、Bcでは、信号送信を行う場合には、スイッチ12により一方の信号処理系である送信回路系へ切り替える。この場合、送信信号が周波数変換増幅部13により送信周波数の信号へ周波数変換されて適切な信号レベルに増幅された後に、送信バンドパスフィルタ11を介して各アンテナA1〜AN、Acへ出力される。そして、送信信号は、送信アレイアンテナ系列から適切なアンテナパターンで送信される。
ここで、受信ウエイトや送信ウエイトのウエイト計算は、アダプティブアルゴリズムに基づいて行われる。アルゴリズムでは、例えば、参照信号を利用することや、包絡線が一定であることを利用することなどができ、種々なアルゴリズムが用いられてもよい。
キャリブレーション計算回路3やウエイト計算回路4は、例えば、DSP(Digital Signal Processor)やFPGA(Field Programmable Gate Array)などのように、デジタル信号処理を容易に実現することができるものから構成されるのが好ましい。
すなわち、各アレイアンテナ系列(各アンテナG1〜GN)により受信された信号が、低雑音増幅と周波数変換を行う各受信回路H1〜HNにより処理されて、各A/D変換器I1〜INによりアナログ信号からデジタル信号へ変換される。その後、各受信信号は、ウエイト計算回路4やキャリブレーション計算回路3による計算結果に基づいて、各乗算器J1〜JNにより複素振幅の重み付けや位相、振幅、周波数の補正などが行われる。そして、各乗算器J1〜JNからの出力信号が加算器2により加算されて、当該加算結果がアダプティブアレイアンテナ全体としての受信信号として復調部(図示せず)に入力される。
ここで、本例の基地局装置の送信系では、アンテナパターンに寄与するアレイ素子数Nに1を加えた(N+1)個の同一のアレイ系統を有しており、キャリブレーションを行うアンテナ(アンテナA1〜AN、Acのいずれか)以外の任意のアンテナがアレイアンテナとして機能する。一例として、N本のアンテナA1〜ANの系を用いてN本のアンテナA1〜ANから構成されるアダプティブアレイアンテナを実現し、残りの1本のアンテナAcの系を用いて、当該アダプティブアレイアンテナを構成する各アンテナA1〜ANから無線送信される信号を無線受信して、当該受信結果に基づいてアンテナのキャリブレーション処理を実行する。
また、キャリブレーションのタイミングとしては、例えば、N本のアンテナから成る基地局装置である場合には、アンテナ“1”からアンテナ“N”まで順番にキャリブレーションを行い、このような順番で、キャリブレーションを行うことを許容されたフレームでキャリブレーションを行うような態様を用いることができる。この態様では、例えば、基地局装置などにおいて、キャリブレーション用の信号を既知の振幅と既知の位相で微弱な電波にて送信する。また、キャリブレーションを行うことが許容されたフレームとしては、例えば、送受信ともに行っていないガードフレームなどを用いることができる。全てのアレイ系のキャリブレーションが終了した後には、継続してキャリブレーションを行ってもよく、或いは、任意の時間間隔で定期的にキャリブレーションを行ってもよい。
すなわち、キャリブレーション処理が開始されると、まず、キャリブレーションを行うための受信用として使用するキャリブレーション系列の番号i(本例では、i=1〜(N+1))の値を初期化する(ステップS1)。
次に、キャリブレーション系列番号iを1として(ステップS2)、当該番号i(=1)以外の送信系列(つまり、i=2〜(N+1)の送信系列)をアレイアンテナとして使用してアレイ送信を行い(ステップS3)、当該番号i(=1)の送信系列をキャリブレーション受信用の系列として使用して当該アレイ送信信号をキャリブレーション用信号として受信する(ステップS4)。そして、当該番号i(=1)の送信系列のキャリブレーション受信系により受信されたキャリブレーション用信号に基づいて、受信回路部(例えば、キャリブレーション受信回路部15)でエラー(例えば、修正することが必要な振幅ずれや位相ずれ)が検出されたか否かを判定し(ステップS5)、エラーが検出された場合にはキャリブレーション計算回路3によるキャリブレーションのための計算やウエイト計算回路4によるウエイトの計算を行い(ステップS6)、エラーが検出されなかった場合には正常であるとみなしてキャリブレーションやウエイトに関する現在の計算結果を続けて使用することとする(ステップS7)。
次いで、キャリブレーション系列番号iがアレイ系列の最大数(本例では、(N+1)個)未満の値である場合には(ステップS8)、キャリブレーション系列番号iの値を1だけ増加して(ステップS9)、当該増加後のキャリブレーション番号iの送信系列をキャリブレーション受信用の系列として使用して、上記と同様に、他のアレイ系列について例えば順番にアンテナのキャリブレーションを行う(ステップS3〜ステップS7)。
そして、全ての送信系列(本例では、(N+1)個の送信系列)を順番にキャリブレーション受信用の系列として使用してキャリブレーションが完了した場合には(ステップS8)、以上のようなキャリブレーション処理を繰り返して行うことが設定されているか否かを判定して(ステップS10)、繰り返すことが設定されている場合には以上と同様な処理を行い(ステップS1〜ステップS10)、繰り返すことが設定されていない場合には処理を終了する。
また、本例の基地局装置のシステムでは、例えば、複数のアレイ系統のうちの1つ(或いは、2以上)のアンテナ及び装置に障害が発生したような場合には、このことがキャリブレーションにより判明するため、障害が発生したアレイ系統を除く各アレイ系統でアンテナビームを形成して、運用を継続することも可能である。また、このような障害が発生したときに、当該障害に関する情報を管理センタなどへ通知する構成としてもよい。当該障害に関する情報としては、例えば、アレイの故障箇所の情報を含めた情報などを用いることができる。また、例えば、アレイの故障箇所に対応したアルゴリズムやテーブルは事前に用意される。
同様に、本例の基地局装置のシステムでは、アレイ系統のうちの1つ或いは2以上のアンテナ及び装置に障害が発生したときには、障害が発生したアレイ系統を除くアレイ系統から任意の1つのアレイ系統を除いた任意の系統でアンテナビームを形成し、当該1つのアレイ系統のアンテナをキャリブレーション用のアンテナとして機能させるようなことができる。
具体的には、N本のアンテナがアレイ系で動作して1本のアンテナがキャリブレーション系で動作した場合のアルゴリズムのほかに、(N−1)本のアンテナがアレイ系で動作して1本のアンテナがキャリブレーション系で動作した場合のアルゴリズムや、(N−2)本のアンテナがアレイ系で動作して1本のアンテナがキャリブレーション系で動作した場合のアルゴリズムなどのように、一部のアンテナが欠けたそれぞれのパターンに対応したアルゴリズムを用意して切り替えて使用する。
なお、このように障害が発生してアレイ系統の総数が1以上少なくなる場合には、アンテナのヌルとなる角度点が1以上減少するため、通常、正常運用時と比べて性能が劣化すると考えられる。このため、運用を継続することは可能であるが、早急のメンテナンスを行うことが望ましいと考えられる。
図4(a)には、基地局装置の全体的な構成の一例を示してある。
同図(a)に示した基地局装置には、例えばアンテナや送受信部やウエイト計算部を含んで構成されるアダプティブアレイアンテナ部(AAA部)21と、通信信号の変復調を行うモデム部(変復調部)22と、ベースバンド(BB:Base Band)処理を行うベースバンド部(BB部)23と、これら各処理部21〜23を制御する制御部24が備えられており、また、基地局制御装置等25が備えられている。
ここで、上記図4(a)に示した基地局装置では、例えば、AAA部21の構成として、上記図1に示したようなアダプティブアレイアンテナに関する構成が用いられる。上記図1に示した“受信信号”はモデム部22へ出力され、“送信信号”はモデム部22から入力される。
なお、基地局装置の全体的な構成や、アダプティブアレイアンテナに関する構成としては、必ずしも本実施例で示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。
図4(b)には、TDD方式におけるデータ通信(Tx或いはRx)の間のガードフレームの一例や、FDD方式におけるデータ通信(Tx及びRx)の間のガードフレームの一例を示してある。
本実施例に係る基地局装置では、例えば、このようなガードフレームの期間などのように、データが通信中ではない領域であるときに、アレイ用のアンテナとキャリブレーション用のアンテナとを入れ替える(切り替える)動作を行う。これにより、アレイ用のアンテナとキャリブレーション用のアンテナとの切り替えを効率的に行うことができる。
ここで、m本のキャリブレーションアンテナでは、キャリブレーションを同時に行うことで、キャリブレーション時間を短縮することが可能である。また、アレイアンテナ素子数が多いときには、アンテナ間の相互結合量が非常に小さいものもあるため、キャリブレーションアンテナを複数用意することで、キャリブレーションを行うアンテナ群のグループ分けをすることも可能である。
また、このような構成において、アレイアンテナを構成するアンテナの1つ或いは2以上に障害が発生したときには、例えば、障害が発生したアンテナ素子数分を除くアレイ系統でアンテナビームを形成し、m本のアンテナをキャリブレーション用のアンテナとして使用するようなことが可能である。
具体的には、本実施例に係る基地局装置では、第1のアンテナから第(N+1)のアンテナを備える。アンテナパターンに大きく寄与するのは、その内のN本であり、残りの1本はキャリブレーションアンテナとして機能する。アンテナパターンに寄与するN本の各アンテナから1本ずつ順番に既知の振幅と位相で電波を送信し、キャリブレーションアンテナがこれを受信する。キャリブレーション系では、各アンテナから受信した偏差量を算出してこれを現在の補正値として、この受信偏差量を送信パターン形成回路へ供給し、これにより、当該受信偏差量を加味した送信パターンを形成して、このように動的に補正を行う。
このように、アレイアンテナが(N+1)本存在しており、通常は、N本をアレイアンテナの素子として利用し、残りをキャリブレーション用アンテナの素子として用いる。
また、本実施例に係る基地局装置では、例えば、アダプティブアレイ基地局が運用中に、1つ或いは2以上のアレイアンテナ素子に障害が発生したときには、運用は継続するが、障害を管理センタへ通知する。
また、本実施例に係る基地局装置では、例えば、アダプティブアレイ基地局が運用中に、1以上のアレイアンテナ素子に障害が発生したときに、故障したアンテナ素子を除くアレイアンテナ素子より1つ少ない素子でアンテナビームを形成することで運用を止めることなく、残りの1つのアンテナをキャリブレーションアンテナ素子として例えば固定的に機能させる。
また、本実施例に係る基地局装置では、例えば、アダプティブアレイ基地局が運用中に、1以上のアンテナに障害が発したときには、故障したアンテナ素子を除くアレイアンテナ必要素子より1つ少ない素子でアンテナビームを形成し、残りの任意のアンテナをキャリブレーションアンテナとして固定的に機能させる。
が可能である。
また、本実施例に係る基地局装置では、例えば、アンテナパターンに寄与するアレイ素子数(n+m)の素子を有し、任意のアンテナがn本のアレイアンテナ素子或いはm本のキャリブレーションアンテナ素子として動的に変化することが可能であり、これにより、時々刻々と位相変化及び振幅の校正を行うことが可能である。
また、本実施例に係る基地局装置では、例えば、アレイアンテナ素子の1つ或いは複数にわたって障害が発生したときには、障害が発生したアンテナを除く各アレイアンテナ素子でアンテナビームを形成することにより、運用状態を止めることなく、運用を行う。
また、本実施例に係る基地局装置では、例えば、アレイアンテナ素子に障害が発生したときには、故障したアンテナ素子数分を除くアレイアンテナ素子(故障のないアンテナ素子数−m)でアンテナビームを形成して、運用を止めることなく、残りのm本のアンテナをキャリブレーションアンテナ素子として機能させる。
また、本実施例に係る基地局装置では、アレイアンテナシステムの弱点である1つ或いは複数のアレイ系列が故障することによる運用停止を最小限に抑えることを保つことができる。例えば、任意のアレイ系統が故障して特性劣化した状態の運用中においても、異常があるときにはすぐに管理センタに通知され、障害に対して迅速に対応することを可能と
することができる。
このように、本実施例に係る基地局装置では、移動体通信端末の無線基地局において、運用中にアンテナキャリブレーションを自動的に行うことができ、これにより、例えば、運用中にアンテナキャリブレーションの補正値が変動するような場合においても、常に、高精度なキャリブレーションを実現することができ、アンテナを用いた高品質な無線通信を実現することができる。
また、本実施例に係る基地局装置に備えられる各アンテナの配置の位置としては、種々な位置が用いられてもよい。本実施例では、キャリブレーション専用アンテナというものを用いておらず、また、各アンテナの設置場所については特に限定はない。複数のアンテナのそれぞれの場所とそれらのアンテナによるフォーミング等については、例えば、それ
ぞれの配置のパターンに対応してアルゴリズムを用意する。
また、本実施例に係る基地局装置では、例えば制御部(図示せず)が複数のアンテナA1〜AN、Acの中で無線通信に用いるアンテナとキャリブレーション処理に用いるアンテナの割り当てを切り替える機能によりアンテナ割り当て切り替え手段が構成されており、アンテナを用いて無線通信を行う機能により無線通信手段が構成されており、アンテナを用いてアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する機能によりアンテナキャリブレーション処理実行手段が構成されている。
また、本実施例に係る基地局装置に備えられた送信系の送信回路B1〜BN、Bcでは、周波数変換増幅部13の機能により送信信号処理手段が構成されており、可変減衰器14やキャリブレーション受信回路部15の機能によりキャリブレーション用受信信号処理手段が構成されており、スイッチ12の機能によりスイッチ手段が構成されている。
例えば、移動体無線通信において、高速通信実現のために、アダプティブアレイアンテナシステムを用いることは非常に有効なことである。アダプティブアレイアンテナシステムは、各アレイ系列の位相や振幅を変更することにより、所望のユーザが存在する方向ヘアンテナパターンのピークを向けることができる。これは、アダプティブなビームフォーミングである。また、アダプティブアレイアンテナシステムでは、例えば、複数であるN素子のアンテナの場合には、#1から#NまでのN個の系列を有する。
また、アダプティブアレイアンテナシステムは、非所望ユーザからの干渉波受信を抑圧し、非所望ユーザ方向への干渉を削減するように送信アンテナパターンのヌル(NULL)を向けることができる。これは、アダプティブなヌルスティアリングである。
そして、アダプティブアレイアンテナシステムでは、通信を行う移動体通信端末に対しては最大の送信電力で通信するアダプティブビームフォーミングを行い、通信を行っていない他の干渉移動体通信端末に対しては影響を与えないようにするアダプティブヌルスティアリングを行うことができる。
具体的には、アダプティブアレイアンテナを搭載した基地局装置のアンテナ31及びそのアンテナパターン(指向性パターン)と、複数の移動体通信端末装置41〜43を示してある。
希望波に対応する移動体通信端末装置42の方向にはビームを向け、妨害波に対応する移動体通信端末装置41、43の方向にはヌルを向けている。
ところで、移動体通信には、TDMA(Time Division Multiple Access)方式やFDD(Frequency Division Duplex)方式のシステムがあり、例えば、TDMA/TDD(Time Division Duplex)方式の通信システムにおいては、送受の周波数が全く同一である。基地局装置からユーザ端末側の電波伝搬環境とユーザ端末側から基地局装置までの電波伝搬環境が等しく、基地局装置とユーザ端末との間で電波伝搬環境の可逆性が成立する。
つまり、基地局装置側の受信と送信のアンテナパターンを同一にすることができ、非常に簡易な構成で実現することができる。これらは、現在において一部でサービスされているPHS(Personal Handy phone System)基地局装置などで実用されている。
一方、PDC(Personal Digital Cellular)方式やCDMA(Code Division Multiple Access)方式等のFDDシステムでは、上り回線と下り回線の周波数が異なるため、受信と送信のアンテナパターンを厳密には同一にすることができない。
具体的には、複数であるN個の系のそれぞれに、アンテナK1〜KNと、送受切り替え用のスイッチ(SW)L1〜LNと、受信回路(Rx)M1〜MNと、A/D(Analog to Digital)変換器(ADC)N1〜NNと、各アンテナの受信信号に対して各アンテナの受信ウエイトを乗算するための乗算器O1〜ONと、送信信号に対して各アンテナの送信ウエイトを乗算するための乗算器P1〜PNと、D/A(Digital to Analog)変換器(DAC)Q1〜QNと、送信回路(Tx)R1〜RNが備えられている。
また、N個の系に共通に、受信ウエイト乗算後の各アンテナ受信信号を総和してアダプティブアレイアンテナ全体としての受信信号を取得する加算器51と、当該受信信号に基づいて各アンテナの受信ウエイトや各アンテナの送信ウエイトを算出するウエイト計算回路52が備えられている。
しかしながら、受信と送信で同一のパターンを形成することは現実的には困難である。
例えば、各アレイ系列の送信アナログ部や受信アナログ部の通過振幅特性及び通過位相特性に偏差(バラツキ)があるため、受信と送信で同じ重みに対する周波数差成分を含めた補正ウエイトを用いた場合においても、受信パターンと送信パターンが異なり、所望方向への利得が低くなったり干渉ユーザヘの利得が高くなったりして、所望のアンテナパタ
ーンを生成することができないことがある。
図7には、このようなアダプティブアレイアンテナによる受信パターンZ1と送信パターンZ2の一例を示してあり、偏差により受信パターンZ1と送信パターンZ2とがずれている。
そして、図示されるように、受信パターンZ1から推定したヌル(NULL)角度において、送信パターンのサイドローブピークが向いてしまうようなことが生じ、所望の送信パターンにならない。
ここで、図8に示されるアダプティブアレイアンテナ装置は、複数であるN個の受信系と、N個の送信系と、ウエイト計算回路62を備えている。
各受信系は、アンテナ(Rx#1〜Rx#N)T1〜TNと、受信回路(Rx)U1〜UNと、A/D変換器V1〜VNと、乗算器W1〜WNを備えており、また、全ての受信系に共通な加算器61を備えている。
各送信系は、乗算器X1〜XNと、D/A変換器Y1〜YNと、送信回路(Tx)AA1〜AANと、アンテナ(Tx#1〜Tx#N)AB1〜ABNを備えている。
図8に示されるようなアダプティブアレイアンテナ装置についても、図6に示されるアダプティブアレイアンテナ装置と同様な問題があった。
しかしながら、最初に求めた補正量が運用中に変化してしまうような場合がある。この原因としては、例えば、昼夜の外気温度変化の違いによるアナログ部のアクテイブ部品(例えば、増幅器、ミキサ、シンセサイザなど)の特性変化がある。また、それ以外のパッシブ部品(例えば、フィルタ、カプラなど)についても若干の特性変化がある。
また、原因としては、装置内部に使用している接続ケーブルの長さの伸縮による微小な位相変動などが考えられる。或いは、アンテナと増幅器とを接続するケーブルが屋外に露出している場合には、風や雨や雪などの外部要因によってケーブルが振動することによる位相変動などが考えられる。
このような変化が生じると、アダプティブアレイアンテナ装置の性能が大幅に劣化し、例えば上記図7に示したアンテナパターンと同様に、所望波と干渉波(ノイズ成分も含む)との比であるSINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)の劣化が起きる。この結果、干渉抑圧ができずに、通信品質が劣化したりする。このため、キャリブレーションは一度では不十分であり、運用中にリアルタイムにキャリブレーションすることが要求される。
これに対して、本発明では、以上に説明したように、このような従来の問題を解消することができ、有効な効果を実現することができる。
また、本発明の適用分野としては、必ずしも以上に示したものに限られず、本発明は、種々な分野に適用することが可能なものである。
また、本発明に係る無線通信装置や通信機や基地局装置などにおいて行われる各種の処理としては、例えばプロセッサやメモリ等を備えたハードウエア資源においてプロセッサがROM(Read Only Memory)に格納された制御プログラムを実行することにより制御される構成が用いられてもよく、また、例えば当該処理を実行するための各機能手段が独立したハードウエア回路として構成されてもよい。
また、本発明は上記の制御プログラムを格納したフロッピー(登録商標)ディスクやCD(Compact Disc)−ROM等のコンピュータにより読み取り可能な記録媒体や当該プログラム(自体)として把握することもでき、当該制御プログラムを当該記録媒体からコンピュータに入力してプロセッサに実行させることにより、本発明に係る処理を遂行させる
ことができる。
Claims (3)
- 複数のアンテナを備え、1又は2以上のアンテナを用いて無線により通信するとともに、1又は2以上のアンテナを用いてアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する無線通信装置であって、
該無線通信装置の運用中に、複数のアンテナの中で無線通信に用いるアンテナとアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いるアンテナの割り当てを切り替えるアンテナ割り当て切り替え手段と、
アンテナ割り当て切り替え手段により無線通信に用いるものとして割り当てられたアンテナを用いて無線により通信する無線通信手段と、
アンテナ割り当て切り替え手段によりアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いるものとして割り当てられたアンテナを用いてアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するアンテナキャリブレーション処理実行手段と、を備え、
キャリブレーション処理を実行するために用いられるアンテナ系は、アンテナと、アンテナにより送信する対象となる信号を処理する送信信号処理手段と、アンテナにより受信されるキャリブレーション処理を実行するための信号を処理するキャリブレーション用受信信号処理手段と、送信対象となる信号を送信する場合には送信信号処理手段とアンテナとを接続する一方でキャリブレーション処理を実行するための信号を受信する場合にはキャリブレーション用受信信号処理手段とアンテナとを接続するように切り替えるスイッチ手段を用いて構成され、
前記アンテナ割り当て切り替え手段によりアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いるものとして割り当てられたアンテナを用いて前記アンテナキャリブレーション処理実行手段によりアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行し、該キャリブレーション処理によりアンテナに障害が判明した場合には、該障害が判明したアンテナを除くアンテナ系により該無線通信装置の運用を継続することを特徴とする無線通信装置。 - 請求項1に記載の無線通信装置において、
前記キャリブレーション処理によりアンテナに障害が判明した場合には、該障害に関する情報を管理センタへ通知する障害通知手段を備えたことを特徴とする無線通信装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の無線通信装置において、
前記アンテナ割り当て切り替え手段は、該無線通信装置の運用中であって無線通信が行われていない期間に、複数のアンテナの中で無線通信に用いるアンテナとアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いるアンテナの割り当てを切り替えることを特徴とする無線通信装置。
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