JP4722096B2 - 無線装置およびアンテナ指向性制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線装置およびアンテナ指向性制御方法に関する。

従来、Ｎ本のアンテナからなるデジタル移動通信用のＡＡＡ（Ａｄａｐｔｉｖｅ ＡｒｒａｙＡｎｔｅｎｎａ）基地局において、アンテナ毎の送信出力信号Ｙ（ｔ）は、入力信号ベクトルＸ（ｔ）と送信重みベクトルＷの掛け算により、Ｙ（ｔ）＝Ｘ（ｔ）×Ｗのように表すことができる。ここで、送信重みベクトルＷは、重み係数ｗｊ（ｊ＝１，２，３，・・・，ｎ）を要素とするベクトルである。一般的に、Ｎ本のアンテナの各重み係数は、ＡＡＡにおけるアルゴリズムでは式（１）で正規化される。
Ｗ１２＋Ｗ２２＋Ｗ３２＋・・・＋Ｗｎ２＝１ （１）
そして、送信重みベクトルがスケーリングされることにより、各アンテナからユーザ端末（以下、端末という）へ送信する電力が決定されるようになっている。

上記スケーリングは、式（２）により行われる。

このようなスケーリングを行いつつ、複数のアンテナの指向性制御として、各端末からの受信信号強度に応じて、送信信号の指向性に加えて送信強度を制御する技術も報告されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３１６７６８２号公報

しかしながら、上記従来技術の場合、アンテナ毎の指向性を制御するが、各アンテナからの送信電力の最適化の点で問題があった。従来は各アンテナからの出力の合計が常に一定になるように、式（２）基づいてスケーリングされていた。例えば、式（２）において、４本のアンテナ用の送信重みベクトルの比がＷ（１／５，２／５，２／５，４／５）である場合、これをスケーリングすると、（１／９，２／９，２／９，４／９）で表される。

一般に各アンテナの送信電力は、Ｗの成分の２乗に比例する。従って、上記例では最も重み係数（成分）の大きさが大きい４番目のアンテナの送信電力が最大（（４／９）２）となる。そして、通常は成分の２乗に最大送信電力Ｐｍａｘを乗じた値を送信電力としている。このことは、４番目のアンテナからはＰｍａｘ×（１６／８１）の電力で送信されることになるので、これではアンテナの送信出力の能力を１００％活用していることにはならない。このように従来のスケーリングでは、アンテナの送信能力を最大限利用していなかった。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、アンテナからの送信電力が送信能力と同一になるまで最大化できる無線装置およびアンテナ指向性制御方法を提供することを目的とする。

本発明の無線装置は、複数のアンテナからなるアレーアンテナと、前記アレーアンテナの指向性を制御する送信制御手段とを備え、端末との間で無線通信する無線装置において、 前記送信制御手段は、前記各アンテナに対応する重み係数からなる前記端末個別の送信重みベクトルを算出し、前記算出された送信重みベクトルを、前記各重み係数の二乗の和が１になるように正規化し、前記各アンテナに対応する前記重み係数の比を維持した状態で、前記正規化された送信重みベクトルに対して所定値を乗算し、前記所定値が、前記正規化された送信重みベクトルの最大成分の逆数である、ことを特徴とする。
このような特徴により、Ｎ本のアンテナのうち、重み係数が一番大きいアンテナから送信電力を送信能力一杯まで最大化して送信することができる。
そして、送信電力を最大化して送信することにより、端末に届く電力を増大させ、下りの干渉抑圧能力を最大限に維持し、かつ、端末の通話品質をより良好に保つことができる。

また、本発明のアンテナ指向性制御方法は、複数のアンテナからなるアレーアンテナを備え、端末との間で無線通信する無線装置におけるアンテナ指向性制御方法であって、前記各アンテナに対応する重み係数からなる端末個別の送信重みベクトルを算出し、前記算出された送信重みベクトルを、前記各重み係数の二乗の和が１になるように正規化する過程と、前記各アンテナに対応する前記重み係数の比を維持した状態で、前記正規化された送信重みベクトルに対して所定値を乗算する過程と、を含み、前記所定値が、前記正規化された送信重みベクトルの最大成分の逆数である、ことを特徴とする。

本発明の無線装置およびアンテナ指向性制御方法は、Ｎ本のアンテナのうち、重み係数が一番大きいアンテナからの送信電力を最大化し、端末に到達する電力が最大となるような最適化を行うことができる。

以下、本発明の無線装置およびアンテナ指向性制御方法の好適な実施形態について図１を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る無線基地局装置１００（無線装置）の構成を示すブロック図である。この図１に示す無線基地局装置（以下、単に無線基地局という）１００は、端末との間でデジタル無線通信を行うＰＨＳ（登録商標）基地局である。なお、本実施の形態では、説明の便宜上、一例として４本のアンテナで端末と通信する場合を例に挙げて説明する。

図１において、無線基地局１００は、４つのアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４からなるアレーアンテナを備え、これらアンテナＡＮＴ１〜４が送受信切り替えスイッチ２に接続されている。送受信切り替えスイッチ２は、これらアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４を時分割で制御して送信と受信との切り替え制御を行っている。無線部４は、第１〜第４の受信部６と、第１〜第４の送信部８とを備え、第１〜第４の受信部６はアンテナＡＮＴ１〜４に各々対応して設けられており、第１〜第４の送信部８はアンテナＡＮＴ１〜４に各々対応して設けられている。第１〜第４の受信部６および第１〜第４の送信部８は、送受信切り替えスイッチ２を介してそれぞれアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４に接続される。

受信部６は、不図示のローノイズ増幅器とダウンコンバータとＡ／Ｄコンバータから構成されている。受信部６はまた、変復調部１２に接続されている。受信部６では、自己に対応するアンテナで受信された信号がローノイズ増幅器を介してダウンコンバータに入力され、該ダウンコンバータ１８の出力がＡ／Ｄコンバータでデジタル化されて変復調部１２に出力される。

送信部８は、不図示のＤ／Ａコンバータとアッパコンバータと電力増幅器から構成されている。また、送信部８は、変復調部１２に接続されている。送信部８では、変復調部１２から入力される重み係数（複素数）が設定される。設定された重み係数と当該端末に送信するデータは、Ｄ／Ａコンバータによりアナログ化され、アッパコンバータと電力増幅器を介して、自己に対応するアンテナから送信される。

変復調部１２は、複数のＣＰＵから構成されており、送受信データの変復調およびデジタル信号処理による位相制御を行っている。具体的には以下の５つの制御を行う。
（１）第１〜第４の受信部６それぞれの最終段で変換されたデジタル信号を、例えばＤ／Ｕ（Ｄｅｓｉｒｅ／Ｕｎｄｅｓｉｒｅ；希望波／妨害波）すなわちＣＩＲ（Ｃａｒｒｉｅｒ ｔｏＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｒａｔｉｏ）値が最大となるように合成し復調する。

（２）アンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４での受信波それぞれの位相を算出して、送信時にはアンテナ端で同等の位相になるように制御する。それによって、通信を行う端末の方向に送信／受信とも指向性を持たせることができる。
（３）干渉波と遅延波の到来方向にヌル点を作ることによって抑圧する。
（４）各アンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４に供給する信号の位相を制御することによって、任意の方向に指向性を持たせてビームを絞って送信することを可能とする。この位相制御は、第１〜第４の送信部８にそれぞれ重み係数を設定することで行う。この重み係数の設定により、各々の送信ビームの放射パターンの任意の方向にヌルを形成することができる。
（５）周囲の基地局や通話中、あるいはデータ（通信）のやりとりをしている端末以外の端末に対して、下り方向に与える干渉を減少させる。この変復調部１２は制御部１４に接続されている。

制御部１４は、複数のＣＰＵから構成され、無線基地局１００全体の制御を行う。制御部１４は、送信時の放射パターンを形成するための重み係数と、受信時の放射パターンを形成するための重み係数をそれぞれ算出する機能と、スケーリングする機能などを有する。具体的には、変復調部１２に対して必要なパラメータおよびタイミングを指示し、変復調部１２が受信したデータを処理する。このデータ受信処理において、受信エラーの検出を行う。また、空中に輻射すべき送信データを作成して変復調部１２に渡す。なお、受信信号係数ベクトルは、端末の受信情報（振幅と位相）を表すものである。

この制御部１４は回線インタフェース部１５に接続されている。回線インタフェース部１６は、ＩＳＤＮ回線等のデジタル通信回線に接続され、これとのインタフェースの処理を実行する。変復調部１２および制御部１４によって、アダプティブビームフォーミング機能及びアダプティブヌルスティアリング機能が実現される。

次に、制御部１４による送信重みベクトルのスケーリングについて説明する。制御部１４は、正規化された各送信重みベクトルを、Ｎ本のアンテナのうち何れか１本のアンテナでの送信出力電力が最大送信電力値Ｐ〔ｍＷ〕と同一になるよう、式（３）でスケーリングを行う。このときの無線基地局１００からの各アンテナの送信出力電力は式（４）のようになる。

例えば、式（３）において、４本のアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４用の送信重みベクトルの比がＷ（１／５，２／５，２／５，４／５）である場合、その最大成分は「４／５」であるので、これをスケーリングすると（１／４，２／４，２／４，４／４）で表される。

ここでは、最も重み係数の大きさの大きいＡＮＴ４の送信電力が最大（（４／４）２＝１））となる。このとき、無線基地局１００のアンテナＡＮＴ４からの最大送信電力Ｐｍａｘは、式（４）により、Ｐ〔ｍＷ〕となり、能力の最大限で出力できることがわかる。

このように、複数のアンテナに対して設定された重み係数のうち、最大の重み係数で、重み係数で表される送信重みベクトルをスケーリングすることにより、Ｎ本のアンテナのうち、重み係数が一番大きいアンテナからハードウェア（パワーアンプ）の送信能力と同一となるまで送信電力を最大化できる。各アンテナの重み係数の比が変わらない限り、下りの干渉抑圧能力は変わらないので、本実施の形態の無線基地局１００では、下りの干渉抑圧能力を最大限に維持し、かつ、端末に届く電力を増大させて、端末の通話品質をより良好に保つことができる。

図２は本実施の形態のシミュレーションの結果を示す表である。このシミュレーションではモード１〜４の４つの送信方法により、ユーザに届く電力として平均の下りのパワー（Ａｖｅｒａｇｅ Ｄｏｗｎｌｉｎｋ Ｐｏｗｅｒ）を求めた。シミュレーション条件を以下に示す。アンテナ本数は４本、アンテナ１本に１２５ｍＷのパワーアンプ（ＰＡ）を搭載する。希望ユーザ数は１、干渉ユーザ数は１。無線環境は１００％Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｆａｄｉｎｇ。上りの所要ＳＮＲは２０ｄＢ、上りの所要ＣＩＲは１０ｄＢ。モード１は５００ｍＷのＰＡを搭載した１本のアンテナで送信。モード２は各々５００ｍＷのＰＡを搭載した４本のアンテナで選択ダイバーシチ送信。モード３は４本のアンテナの出力の合計が１２５ｍＷ固定の送信（各送信系で１２５ｍＷのＰＡを搭載）。モード４（本実施形態に対応）は５００ｍＷ Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｅ（各送信系で１２５ｍＷのＰＡを搭載）。送信バースト数は１００００。

上記条件でモード１〜４についてシミュレーションした結果の「Ａｖｅｒａｇｅ Ｄｏｗｎｌｉｎｋ Ｐｏｗｅｒ」が、図２に示されている。各モードの値は、全てモード１の値を基準として、それに対する相対的なパワーで示している。また、「Ａｖｅｒａｇｅ Ｄｏｗｎｌｉｎｋ Ｐｏｗｅｒ」を計算する際には、１００００バーストの各々の下りのパワーをリニアスケールで足し合わせて平均を計算した後、ｄＢスケールに換算している。

図２に示すように、本実施形態に対応するモード４の結果が優れている。なお、モード２の結果はモード４よりよいが、これは各アンテナに５００ｍＷのＰＡを要しているためであり、設備コストが大きいという問題がある。

本発明の実施形態に係る無線基地局装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態のシミュレーション結果を示す表である。

符号の説明

２：送受信切り替えスイッチ、 ４：無線部、
６：受信部、 ８：送信部、
１２：変復調部、 １４：制御部、
１６：回線インタフェース部、
ＡＮＴ１〜ＡＮＴ４：アンテナ、 １００：無線基地局装置（無線装置）。

Claims (2)

1. 複数のアンテナからなるアレーアンテナと、前記アレーアンテナの指向性を制御する送信制御手段とを備え、端末との間で無線通信する無線装置において、
   前記送信制御手段は、
   前記各アンテナに対応する重み係数からなる前記端末個別の送信重みベクトルを算出し、
   前記算出された送信重みベクトルを、前記各重み係数の二乗の和が１になるように正規化し、
   前記各アンテナに対応する前記重み係数の比を維持した状態で、前記正規化された送信重みベクトルに対して所定値を乗算し、
   前記所定値が、前記正規化された送信重みベクトルの最大成分の逆数である、ことを特徴とする無線装置。
2. 複数のアンテナからなるアレーアンテナを備え、端末との間で無線通信する無線装置におけるアンテナ指向性制御方法であって、
   前記各アンテナに対応する重み係数からなる端末個別の送信重みベクトルを算出し、前記算出された送信重みベクトルを、前記各重み係数の二乗の和が１になるように正規化する過程と、
   前記各アンテナに対応する前記重み係数の比を維持した状態で、前記正規化された送信重みベクトルに対して所定値を乗算する過程と、を含み、
   前記所定値が、前記正規化された送信重みベクトルの最大成分の逆数である、ことを特徴とするアンテナ指向性制御方法。

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