JP4938149B2 - 送信装置及び送信方法 - Google Patents

Description

本発明は、下り回線において、アダプティブアレイアンテナにより指向性送信を行うディジタル無線通信システムに用いられる送信装置及び送信方法に関する。

携帯電話や自動車電話等のディジタル無線通信システムは、通信エリアをセルに分割し、各セルに１つの基地局装置を置き、この基地局装置に対し複数の端末装置が同時通信を行うセルラーシステムを採用している。近年、セルラーシステムが急速に普及し、システム利用者が急増してきたため、１つのセルにおけるチャネル容量の増大を図ることが重要な課題となっている。

チャネル容量の増大を図る技術の一つとして、アダプティブアレイアンテナがある。「ディジタル移動通信のための波形等化技術」（堀越 淳 監修、（株）トリケップス）等に記載されているように、アダプティブアレイアンテナは、複数アンテナで構成されるアレイアンテナの各アンテナ出力に振幅・位相シフトを加えて合成することによりアレイの指向性が形成されることを利用して、所定の制御アルゴリズムに基づいて、各アンテナ出力の重み係数を決定し、周囲の状態の変化に適応しながら指向性を制御する技術である。

アダプティブアレイアンテナを上り回線に適用し、他セルからの干渉を取り除いて受信品質を向上させることにより、上り回線のチャネル容量の増大を図ることができる。

また、アダプティブアレイアンテナを下り回線に適用し、基地局装置が目的とする端末装置からの信号到来方向を推定し、推定した方向に指向性送信を行うことにより、回線品質を維持したまま基地局装置からの送信電力を小さくでき、他端末装置への干渉も低減できるので、下り回線のチャネル容量の増大を図ることができる。

ここで、下り回線において、基地局装置が通信を行うすべての端末装置に対し信号到来方向を推定し、指向性送信を行うとすると信号処理量が増大し、装置規模が大きくなる問題が生じる。

このため、基地局装置に搭載されている従来の送信装置は、高速のデータ伝送を行う端末装置もしくは大きい送信電力を必要とする端末装置など１部の端末装置に対しアレイアンテナを用いて指向性送信を行い、他の端末装置に対しアレイアンテナと別個に用意されたアンテナあるいはアレイアンテナの中の１本を用いてセクター送信やオムニ送信等の指向性の無い送信（以下、「無指向性送信」という）を行っている。

これにより、信号処理部の装置規模をさほど増大させることなく、チャネル容量の増大を図ることができる。また、指向性送信を行うことにより、指向性送信のみを行うアレイアンテナにおける送信電力を低減できる。

しかしながら、上記従来の送信装置では、無指向性送信する信号を複数合成して１本のアンテナから送信するため、このアンテナにおける送信電力は低減されない。よって、無線部の増幅動作時におけるダイナミックレンジを抑えることができず、大型で発熱量が大きい増幅器を使用しなければならないという問題を有する。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、一部の端末装置に対してのみ指向性送信を行う基地局装置において、無線部での増幅器における必要電力を抑え、装置規模の小型化を図ることができる送信装置及び送信方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る送信装置は、複数のアンテナと、第１信号から生成される複数の信号成分に対して、指向性送信のための重み付けを行う重み付け手段と、重み付けされた前記複数の信号成分を前記複数のアンテナを用いて送信し、第２信号を前記複数のアンテナのうち何れか一つのアンテナを用いて送信する制御を行う送信制御手段と、を有し、前記送信制御手段は、重み付けされた前記複数の信号成分のうち一つを、前記一つのアンテナを用いて、前記第２信号と同時に送信する制御を行う、構成を採る。

また、本発明の第２の態様に係る受信装置は、送信装置が、第１信号から生成される複数の信号成分に対して指向性送信のための重み付けを行い、第２信号を複数のアンテナのうち何れか一つのアンテナを用いて送信し、重み付けされた前記複数の信号成分のうち一つが、前記一つのアンテナを用いて前記第２信号と同時に送信されるように、重み付けされた前記複数の信号成分を前記複数のアンテナを用いて送信した信号を、受信する構成を採る。

本発明の第３の態様に係る送信装置は、複数のアンテナと、第１信号から生成される複数の信号成分に対して、指向性送信のための重み付けを行う重み付け手段と、重み付けされた前記複数の信号成分を前記複数のアンテナを用いて送信し、第２信号を前記複数のアンテナのうち何れか一つのアンテナを用いて送信する制御を行う送信制御手段と、を有する構成を採る。

本発明によれば、アレイアンテナの各アンテナに無指向性送信信号を振り分けることができるので、各アンテナの送信電力を分散し、送信電力が他に比べて突出して大きいアンテナをなくすことができ、無線部における増幅器の小型化を図ることができる。これは、信号増幅時の位相回転幅が小さくなることでもあり、アダプティブアレイアンテナに必要な無線部キャリブレーションの簡易化にも効果的となる。

本発明の送信装置を搭載する基地局装置を含む無線通信システムのシステム図 実施の形態１における基地局装置の構成を示すブロック図 実施の形態２における基地局装置の構成を示すブロック図

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明にかかる送信装置を搭載した基地局装置を含む無線通信システムを示すシステム図である。

図１の基地局装置１１は、通信の中継器の役割を果たし、端末装置から無線送信された信号を処理して外部ネットワーク２１に無線又は有線送信し、外部ネットワーク２１から無線又は有線送信された信号を処理して各端末装置に無線送信する。

ここで、図１の基地局装置１１は、３本のアンテナ１０１、１０２、１０３を有し、５台の端末装置と同時通信を行い、端末装置１、端末装置２、端末装置３及び端末装置４に対して無指向性送信を行い、端末装置５に対して指向性送信を行なうものとする。

（実施の形態１）
図２は、実施の形態１にかかる基地局装置の構成を示すブロック図である。図２に示す基地局装置１１は、３本のアンテナ１０１、１０２、１０３と、無線部１０４、１０５、１０６と、送信部１０７と、受信部１０８と、信号処理部１０９、１１０、１１１、１１２、１１３とから主に構成される。送信部１０７は、重み係数制御部１５１と、乗算回路１５２、１５３、１５４と、合成回路１５５、１５６、１５７とを有する。

無線部１０４は、アンテナ１０１に受信された高周波信号をベースバンド信号に変換して受信部１０８に出力し、また、合成回路１５５から入力したベースバンド信号を高周波信号に変換してアンテナ１０１から無線送信する。無線部１０５は、アンテナ１０２に受信された高周波信号をベースバンド信号に変換して受信部１０８に出力し、また、合成回路１５６から入力したベースバンド信号を高周波信号に変換してアンテナ１０２から無線送信する。無線部１０６は、アンテナ１０３に受信された高周波信号をベースバンド信号に変換して受信部１０８に出力し、また、合成回路１５７から入力したベースバンド信号を高周波信号に変換してアンテナ１０３から無線送信する。

送信部１０７は、各信号処理部から入力した各端末装置に対する送信信号を分散し、合成して、各無線部に出力する。受信部１０８は、各無線部から入力したベースバンド信号を復調して各端末装置からの受信信号を取り出して合成し、各信号処理部に出力する。また、受信部１０８は、指向性受信された端末装置５からの受信信号（以下、「第５受信信号」という）の到来方向を推定し、到来方向に関する情報を信号処理部１１３に出力する。

信号処理部１０９は、受信部１０８から入力した端末装置１からの受信信号（以下、「第１受信信号」という）を復号して外部ネットワークに出力し、また、外部ネットワークから入力した端末装置１に対する送信信号（以下、「第１送信信号」という）を符号化して変調し、合成回路１５５に出力する。

信号処理部１１０は、受信部１０８から入力した端末装置２からの受信信号（以下、「第２受信信号」という）を復号して外部ネットワークに出力し、また、外部ネットワークから入力した端末装置２に対する送信信号（以下、「第２送信信号」という）を符号化して変調し、合成回路１５６に出力する。

信号処理部１１１は、受信部１０８から入力した端末装置３からの受信信号（以下、「第３受信信号」という）を復号して外部ネットワークに出力し、また、外部ネットワークから入力した端末装置３に対する送信信号（以下、「第３送信信号」という）を符号化して変調し、合成回路１５７に出力する。

信号処理部１１２は、受信部１０８から入力した端末装置４からの受信信号（以下、「第４受信信号」という）を復号して外部ネットワークに出力し、また、外部ネットワークから入力した端末装置４に対する送信信号（以下、「第４送信信号」という）を符号化して変調し、合成回路１５５に出力する。

信号処理部１１３は、受信部１０８から入力した第５受信信号を復号して外部ネットワークに出力し、また、外部ネットワークから入力した端末装置５に対する送信信号（以下、「第５送信信号」という）を符号化して変調し、各乗算回路に平行に出力する。また、信号処理部１１３は、受信部１０８から入力した到来方向に関する情報を重み係数制御部１５１に出力する。

重み係数制御部１５１は、信号処理部１１３から入力した到来方向に関する情報に基づいて各アンテナ出力の重み係数を算出し、算出した重み係数を各乗算回路に出力する。乗算回路１５２は、第５送信信号に重み係数制御部１５１から入力した重み係数を乗算して合成回路１５５に出力する。乗算回路１５３は、第５送信信号に重み係数制御部１５１から入力した重み係数を乗算して合成回路１５６に出力する。乗算回路１５４は、第５送信信号に重み係数制御部１５１から入力した重み係数を乗算して合成回路１５７に出力する。

合成回路１５５は、信号処理部１０９、信号処理部１１２及び乗算回路１５２から入力した信号を合成して無線部１０４に出力する。合成回路１５６は、信号処理部１１０及び乗算回路１５３から入力した信号を合成して無線部１０５に出力する。合成回路１５７は、信号処理部１１１及び乗算回路１５４から入力した信号を合成して無線部１０６に出力する。

次に、図２の基地局装置１１における各端末装置からの受信信号の流れについて説明する。

アンテナ１０１から受信された信号は、無線部１０４により高周波信号からベースバンド信号に変換され、受信部１０８に出力される。同様に、アンテナ１０２から受信された信号は無線部１０５により高周波信号からベースバンド信号に変換され、アンテナ１０３から受信された信号は無線部１０６により高周波信号からベースバンド信号に変換され、それぞれ受信部１０８に出力される。

そして、受信部１０８にて、各無線部からのベースバンド信号は復調処理されて、各端末装置からの受信信号が取り出され、それぞれアダプティブアレイアンテナ処理を含むダイバーシチ合成が行われ、さらに、指向性受信された第５受信信号の到来方向が推定される。

第１受信信号は信号処理部１０９により復号され、外部のネットワークシステムに送信される。同様に、第２受信信号は信号処理部１１０により復号され、第３受信信号は信号処理部１１１により復号され、第４受信信号は信号処理部１１２により復号され、第５受信信号は信号処理部１１３により復号され、それぞれ外部のネットワークシステムに送信される。

また、受信部１０８にて推定された到来方向に関する情報は、信号処理部１１３を経由して重み係数制御部１５１に出力される。そして、重み係数制御部１５１にて、到来方向に関する情報に基づき、第５送信信号の重み係数が算出され、算出された重み係数が乗算回路１５２、１５３、１５４に出力される。

次に、図２の基地局装置１１における各端末装置に対する送信信号の流れについて説明する。

第１送信信号は、信号処理部１０９にて符号化され、変調され、合成回路１５５に出力される。第２送信信号は、信号処理部１１０にて符号化され、変調され、合成回路１５６に出力される。第３送信信号は、信号処理部１１１にて符号化され、変調され、合成回路１５７に出力される。第４送信信号は、信号処理部１１２にて符号化され、変調され、合成回路１５５に出力される。

第５送信信号は、信号処理部１１３にて符号化され、変調される。変調された第５送信信号は、乗算回路１５２にてアンテナ１０１に対する重み係数が乗算されて合成回路１５５に出力される。同様に、変調された第５送信信号は、乗算回路１５３にてアンテナ１０２に対する重み係数が乗算されて合成回路１５６に出力され、乗算回路１５４にてアンテナ１０３に対する重み係数が乗算されて合成回路１５７に出力される。

合成回路１５５に入力された信号は合成され、無線部１０４にて無線変調され、アンテナ１０１を通して送信される。合成回路１５６に入力された信号は合成され、無線部１０５にて無線変調され、アンテナ１０２を通して送信される。合成回路１５７に入力された信号は合成され、無線部１０６にて無線変調され、アンテナ１０３を通して送信される。

このように、指向性送信以外の信号をアレイアンテナの各アンテナに分散して送信することにより、アンテナの送信電力を分散できるので、送信電力が他に比べて突出して大きいアンテナがなくなり、無線部における増幅器の規模を小型化できる。また、信号増幅時の位相回転幅が小さくなるので、アダプティブアレイアンテナに必要な無線部キャリブレーションの簡易化にも効果がある。

(実施の形態２)
図３は、実施の形態２にかかる基地局装置の構成を示すブロック図である。なお、図３に示す基地局装置において、図２に示す基地局装置と共通する部分については、図２と同一符号を付して説明を省略する。

図３に示す基地局装置は、図２の基地局装置にスイッチ制御部２０１と、接続スイッチ２０２から２１３とを追加した構成を採る。

スイッチ制御部２０１は、各信号処理部から入力した各端末装置に対する送信電力と、重み係数１５１から入力した重み係数に基づいて、各アンテナの送信電力が均一になるように各接続スイッチを制御する。接続スイッチ２０２から２１３は、スイッチ制御部２０１の制御により接続又は切断される。

以下、例として、端末装置１に対する送信電力が１．０、端末装置２に対する送信電力が１．５、端末装置３に対する送信電力が１．８、端末装置４に対する送信電力が２．２、端末装置５に対する送信電力が２．０、乗算回路１５２に出力される重み係数が０．５、乗算回路１５３に出力される重み係数が０．３、乗算回路１５４に出力される重み係数が０．２である場合におけるスイッチ制御部２０１の制御について説明する。

まず、スイッチ制御部２０１は、指向性送信信号の送信電力に重み係数を乗算して、指向性送信信号の各アンテナの送信電力を算出する。本例では、アンテナ１０１の端末装置５に対する送信電力は１．０、アンテナ１０２の端末装置５に対する送信電力は０．６、アンテナ１０３の端末装置５に対する送信電力は０．４となる。

次に、各アンテナの送信電力が均一になるように無指向性送信信号を送信するアンテナを割り振る。本例では、第１送信信号をアンテナ１０３から送信し、第２送信信号をアンテナ１０３から送信し、第３送信信号をアンテナ１０１から送信し、第４送信信号をアンテナ１０２から送信する。これにより、アンテナ１０１の送信電力が２．８、アンテナ１０２の送信電力が２．８、アンテナ１０３の送信電力が２．９となり各アンテナの送信電力の格差が最も少なくなる。

最後に、スイッチ制御部２０１は、アンテナの割り振り結果に基づいて各接続スイッチを制御する。本例では、接続スイッチ２０４、２０７、２０８、２１２を接続し、他の接続スイッチを切断する。

なお、スイッチ制御部２０１は、各端末装置に対する送信電力、各重み係数の変化に対応して、接続スイッチを適宜制御する。

このように、各アンテナの送信電力が同程度になるように、各アンテナに対して各端末装置に対する送信信号を割り振ることにより、実施の形態１に比べさらに装置の小型化を図ることができる。

なお、実施の形態２では、指向性送信以外の信号を送信するアンテナの選択をスイッチ切替により行ったが、スイッチ制御部及び接続スイッチの代りに重み係数制御部及び乗算回路を用いて、重み係数制御により行うこともできる。この場合、重み係数制御部は、出力する重み係数の一つを「１」とし、他を「０」とする。乗算回路に重み係数「１」を入力することは接続スイッチを接続することと等価であり、乗算回路に入力した信号がそのまま出力される。また、乗算回路に重み係数「０」を入力することは接続スイッチを切断することと等価であり、乗算回路からは何も出力されない。

これにより、各信号処理部は、無指向性送信信号又は指向性送信信号のどちらでも処理することができる。具体的には、各信号処理部は、指向性送信信号を処理する場合、重み係数制御部に到来方向に関する情報に基づいて重み係数を出力させ、無指向性送信信号を処理する場合、重み係数制御部に重み係数「１」又は「０」を出力させる。

なお、本発明は、指向性送信と無指向性送信が混在するシステムであれば適用でき、信号多重分割の方式等によっては限定されない。

１、２、３、４、５ 端末装置
１１ 基地局装置
２１ 外部ネットワーク
１０１、１０２、１０３ アンテナ
１０４、１０５、１０６ 無線部
１０７ 送信部
１０８ 受信部
１０９、１１０、１１１、１１２、１１３ 信号処理部
１５１ 重み係数制御部
１５２、１５３、１５４ 乗算回路
１５５、１５６、１５７ 合成回路
２０１ スイッチ制御部

Claims (4)

1. 複数のアンテナと、
   第１の信号を前記複数のアンテナからビームフォーミングするために重み付けする重み付け手段と、
   各々を一つのアンテナから送信する複数の第２の信号を、前記複数のアンテナに割振る割振り手段と、
   前記重み付け手段により重み付けされた第１の信号と、前記割振り手段により割振られた前記複数の第２の信号とを、前記複数のアンテナを用いて同時に送信する送信手段と、
   を有する送信装置。
2. 第１の信号を複数のアンテナからビームフォーミングするために重み付けし、
   各々を一つのアンテナから送信する複数の第２の信号を前記複数のアンテナに割振り、
   重み付けされた前記第１の信号と、割振られた前記複数の第２の信号とを、前記複数のアンテナを用いて同時に送信する、
   送信方法。
3. 複数のアンテナと、
   第１の信号を前記複数のアンテナからビームフォーミングするために重み付けする重み付け手段と、
   各々を一つのアンテナから送信する複数の第２の信号を、前記複数のアンテナの全てに割振る割振り手段と、
   前記重み付け手段により重み付けされた第１の信号と、前記割振り手段により割振られた前記複数の第２の信号とを、前記複数のアンテナを用いて同時に送信する送信手段と、
   を有する送信装置。
4. 第１の信号を複数のアンテナからビームフォーミングするために重み付けし、
   各々を一つのアンテナから送信する複数の第２の信号を前記複数のアンテナの全てに割振り、
   重み付けされた前記第１の信号と、割振られた前記複数の第２の信号とを、前記複数のアンテナを用いて同時に送信する、
   送信方法。

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