JP4945648B2

JP4945648B2 - 無線基地局装置

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Publication number: JP4945648B2
Application number: JP2010044436A
Authority: JP
Inventors: 宗之鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2030-03-01
Also published as: CN102195693A; CN102195693B; JP2011182194A

Description

この発明は、ビーム形成方式（ＤＢＦ：Digital Beam Forming）を用いて移動局との間で無線通信を行う無線基地局装置に関する。

複数の送受信アンテナを用いてデジタル信号処理により指向性パターンを提供する方法としてＤＢＦ（Digital Beam Forming）が知られている。このＤＢＦ方式を用いることで、妨害を受けたくない方向へ指向性を弱めたり、安定して受信したい端末の方向へ強い指向性を向けたりすることで周波数利用率の向上やエリア拡大などの利点を教授できる。

そこで、例えば、特許文献１には、ＤＢＦ方式により無線基地局のアンテナの指向性を制御し、不感エリアを低減する基地局アンテナ装置が提案されている。また、特許文献２には、複数のアレイアンテナを統合的に制御する手法が提案されている。

特開平１１−３０８０３７号公報特開２００１−１７７３２８号公報

ところが、アレイアンテナを構成する複数のアンテナ素子の間隔は、装置の設置スペース等の制限から、十数センチから１メートル前後の場合が殆どであり、この技術によって得られる指向性や利得にも限界がある。また、無線基地局装置は、建物の屋上などに設置されるため、小型でかつ長期運用できることが望ましい。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、良好な無線伝送特性と装置の高信頼性とを実現する無線基地局装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明の一態様は、複数のアンテナ素子を備え、前記複数のアンテナ素子毎に無線信号を送受信する複数の無線装置と、前記無線信号を受信した場合に、前記複数の無線装置の各アンテナ素子により受信された信号を任意の組み合わせで選択し、前記無線信号を送信する場合に、変調信号を前記組み合わせに従って前記複数の無線装置へ出力する第１スイッチ手段と、前記組み合わせ毎の受信信号をもとにＤＢＦ（Digital Beam Forming）を行う機能と、前記変調信号を生成する機能とを有する複数の信号処理手段と、前記複数の信号処理手段の後段に配置される複数のアクセス制御手段と、前記複数のアクセス制御手段を前記信号処理手段に選択的に接続する第２スイッチ手段とを具備し、前記第２スイッチ手段は、前記第１スイッチ手段の機能を集約し、現用系と予備系とを備えることを特徴とする無線基地局装置を提供する。

したがってこの発明によれば、良好な無線伝送特性と装置の高信頼性とを実現する無線基地局装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る無線基地局装置の全体構成図。本発明の第１実施形態に係る無線装置を示すブロック図。本発明の第１実施形態に係る無線基地局装置を示すブロック図。第１実施形態の指向性パターンを示す図。第１実施形態に係る変復調装置の信号経路の一例を示す図。第１実施形態に係る変復調装置の信号経路の他の例を示す図。第１実施形態に係る変復調装置の信号経路の他の例を示す図。第１実施形態に係る変復調装置の信号経路の他の例を示す図。本発明の第２実施形態に係る変復調装置を示すブロック図。第２実施形態に係る変復調装置の信号経路の一例を示す図。第２実施形態に係る変復調装置の信号経路の他の例を示す図。第２実施形態に係る変復調装置の信号経路の他の例を示す図。第３実施形態に係る変復調装置の信号経路の一例を示す図。第３実施形態に係る変復調装置の信号経路の他の例を示す図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態は、複数の無線装置が有する各アンテナ素子の受信信号を任意に組み合わせてＤＢＦ処理を行うことで、従来方式より高利得で柔軟な指向性制御を実現すると共に、一部の機能を冗長化して装置の信頼性を高めるものである。

図１は、本発明の第１実施形態に係る無線基地局装置の全体構成図を示す。この無線基地局装置は、１つの変復調装置４に複数の無線装置１−ｎが光ファイバ３などの伝送路を介して接続される。変復調装置４は、インタフェースケーブル６を介して通信ネットワーク５に接続される。無線装置１−ｎは、複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナ２−ｎを備え、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）方式により所望の指向性パターンのビームを形成して端末７との間で無線通信を行う。

図２に、無線装置のブロック図を示す。無線装置１は、光ファイバ３を介して変復調装置４に接続される。無線装置１は、周波数変換部１０１と、デジタル／アナログ変換部１０２と、電気／光変換部１０３とを備える。また、無線装置１には、４つのアンテナ素子２１，２２，２３，２４を有するアレイアンテナ２が接続される。

図３に、変復調装置のブロック図を示す。変復調装置４は、第３スイッチ４５（現用系＃０／予備系＃１）、無線アクセス制御部４２−１，４２−２、第２スイッチ４４（＃０／＃１）、変復調部４１−１，４１−２，第１スイッチ４３（＃０／＃１）、及びインタフェース部４６−１，４６−２を備える。無線アクセス制御部４２−１，４２−２は、振り分けスイッチ４２２と、データの伝送制御を行うアクセス制御部４２１と、振り分けスイッチ４２３とを備える。変調部４１−１，４１−２は、振り分けスイッチ４１２と、ＤＢＦ処理を行う信号処理部４１３とを備える。インタフェース部４６−１，４６−２は、光／電気変換部４６１と、振り分けスイッチ４６２とを備える。

この変復調装置４は、無線アクセス制御部４２、第１スイッチ４３、第２スイッチ４４、及び第３スイッチ４５を冗長化することで信頼性を向上させている。冗長化された無線アクセス制御部４２−１，４２−２は、第３スイッチ４５及び第２スイッチ４４によって経路が切り替えられる。第１スイッチ４３は、複数の無線装置１のアレイアンテナ２を構成する各アンテナ素子２１〜２４を任意に組み合わせて選択し、ＤＢＦ形成する受信信号をグループ化して信号処理部４１３へ導く。

変復調部４１−１，４１−２の振り分けスイッチ４１２およびインタフェース部４６−１，４６−２の振り分けスイッチ４６２は、第１スイッチ４３（＃０／＃１）を選択する振り分けスイッチである。第２スイッチ４４から入力された変調前の信号は、振り分けスイッチ４１２により信号処理部４１３へ送られる。また、信号処理部４１３で変調された変調後の信号は、振り分けスイッチ４１２により第１スイッチ４３へ送られる。

このように構成された無線基地局装置の動作を説明する。ＤＢＦはデジタル信号処理によって実現されるので、受信の場合を例にすると、アレイアンテナ２−ｋ，２−ｊで受信した無線信号は、無線装置１−ｋ，１−ｊの周波数変換部１０１でデジタル変換しやすい低い周波数（中間周波数）に変換された後、デジタル／アナログ変換部１０２にてアナログ信号からデジタル信号に変換される。デジタル化された信号は、電気／光変換部１０３、光ファイバ３を経て変復調装置４のインタフェース部４６へ送られて電気／光変換部４６１、振り分けスイッチ４６２、第１スイッチ４３、及び変復調部４１−１，４１−２の振り分けスイッチ４１２を経由して信号処理部４１３に導かれてアンテナ間のデータを演算して、例えば上記図４のような指向性パターンが得られる。

図４では、第１スイッチ４３により無線装置１−ｋのアンテナ素子２１，２２と無線装置１−ｊのアンテナ素子２３，２４とがグループ化されている。指向性の強い方向から受信する信号は強められ、逆に指向性の弱い方向の信号は弱められるので、端末７１の送信した信号は無線装置１−ｋ、１−ｊのアンテナ素子において高レベルで受信でき、端末７２の送信した信号は、逆に受信レベルが低くなるので、端末７１は端末７２の混信を避け安定した通信ができる。

一方、送信の際には、信号処理部４１３はアレイアンテナより所望の指向性パターンで信号が送信できるようグループ化されたアンテナ素子ごとに演算処理されたデジタルを送出し、受信とは逆の経路をたどり無線装置１−ｋ，１−ｊのデジタル／アナログ変換部１０２にて中間周波数に変換し、周波数変換部１０１で所定の周波数へ変換した後、アレイアンテナ２−ｋ，２−ｊより信号は送出される。

受信同様に指向性の強い方向へは高いレベルで信号が送出され、指向性の弱い方向へは低いレベルで信号が送出される。

このようにして、妨害を受けたくない方向へ指向性を弱めたり、安定して送受信したい端末の方向へ強い指向性を向けたりすることで周波数利用率の向上やエリア拡大などの利点を享受できる。

第１スイッチ４３は、ＤＢＦを形成するアンテナ素子の信号をグループ化して信号処理へ導くためのもので、信号処理部４１３に前置することで変復調装置４に入出力される複数のアンテナ素子の信号を任意のグループに組み合わせることができ、従来と比較してＤＢＦ形成するアンテナ素子のグループを柔軟に変更できるように構成することができる。

次に、冗長時の信号の経路について説明する。
図５は、図３の変復調装置における信号の経路を説明するものである。図５は、装置の内部に不具合が一切無い正常時の送信動作における通信経路を示す。

通信ネットワーク５から入力される変調前の信号８は第３スイッチ４５の＃０、無線アクセス制御部４２−１、第２スイッチ４４の＃０を経由して変復調部４１−１に導かれて信号処理４１３にて変調され同時にＤＢＦの演算処理が行われる。

変調後の信号９は、第１スイッチ４５の＃０およびインタフェース部４６−１，４６−２の振り分けスイッチ４６２にてＤＢＦの組み合わせに従いスイッチされ光ファイバ３を経て無線装置１−ｋないし１−ｊへ導かれＤ／Ａ変換、周波数変換が行われ所望のアンテナ素子（２−ｋ―２１／２２、２−ｊ−２３／２４）より出力される。

続いて、装置の内部に故障が起きた場合の送信動作における通信経路について説明する。図６は、無線アクセス制御部４２−１が故障した場合の送信動作における通信経路を示している。

第３スイッチ４５、第２スイッチ４４を操作して故障した無線アクセス制御部４２−１の代わりに無線アクセス制御部４２−２を選択することで通信経路を確保している。

通信ネットワーク５から入力される変調前の信号８は第３スイッチ４５の＃０、無線アクセス制御部４２−２、第２スイッチ４４の＃０を経由して変復調部４１−１に導かれて信号処理４１３にて変調され同時にＤＢＦの演算処理が行われる。以降は図５の場合と同様である。

図７は、第３スイッチ４５の＃０、第２スイッチ４４の＃０が故障した場合の送信動作における通信経路を示している。

無線アクセス制御部４２−１の振り分けスイッチ４２２，４２３及び変復調部４１−１の振り分けスイッチ４１２を操作して、故障した第３スイッチ４５の＃０、第２スイッチ４４の＃０の代わりに第３スイッチ４５の＃１、第２スイッチ４４の＃１を選択することで通信経路を確保している。

通信ネットワーク５から入力される変調前の信号８は第３スイッチ４５の＃１、無線アクセス制御部４２−１、第２スイッチ４４の＃１を経由して変復調部４１−１に導かれて信号処理４１３にて変調され同時にＤＢＦの演算処理が行われる。以降は図５の同様である。

図８は、第１スイッチ４３の＃０が故障した場合の送信動作における通信経路を示している。

変復調部４１−１の振り分けスイッチ４１２及びインタフェース部４６−１，４６−２の振り分けスイッチ４６２を操作して、故障した第１スイッチ４３の＃０の代わりに第１スイッチ４３の＃１を選択することで通信経路を確保している。

変調後の信号９は、第１スイッチ４３の＃１およびインタフェース部４６−１，４６−２の振り分けスイッチにてＤＢＦの組み合わせに従いスイッチされ光ファイバ３を経て無線装置１−ｋないし１−ｊへ導かれＤ／Ａ変換、周波数変換が行われ所望のアンテナ素子（２−ｋ―２１／２２、２−ｊ−２３／２４）より出力される。

以上説明してきたように、第１実施形態の無線システムは高機能なＤＢＦと冗長性の両方を提供することができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態によれば、高機能なＤＢＦと冗長性の両方を備えた無線基地局装置を提供することが可能となる。その反面、スイッチ手段を多用するため、回路が複雑になる。また、回路が複雑であると、小型化や省電力化を阻害する。第２実施形態では、上記第１の実施形態の無線基地局装置の構成を一部簡略化する手法を提案する。

すなわち、本発明の第２実施形態は、上記第１実施形態で示した図５の構成における振り分けスイッチ４６２、及び第１スイッチ４３に相当するスイッチを省略することで、回路構成を簡易にし、装置の小型化及び省電力化を実現するものである。

図９は、第２実施形態に係る変復調装置のブロック図である。図５の構成との違いは、第１スイッチ４３及び振り分けスイッチ４６２の機能を、第２スイッチ４４及び振り分けスイッチ４１２に集約したことにある。変調部４１−１，４１−２は、光／電気変換部４１１と、振り分けスイッチ４１２と、信号処理部４１３とを備える。第２スイッチ４４から入力された変調前の信号は、振り分けスイッチ４１２により信号処理部４１３へ送られる。また、信号処理部４１３で変調された変調後の信号は、振り分けスイッチ４１２により電気／光変換部４１１又は第２スイッチ４４へ送られる。

図１０は、第２実施形態の変復調装置における信号の経路を説明するものである。図１０は、装置の内部に不具合が一切無い正常時の送信動作における通信経路を示す。

通信ネットワーク５から入力された変調前の信号８は第３スイッチ４５の＃０、無線アクセス制御部４２−１、第２スイッチ４４の＃０を経由して変復調部４１−１に導かれて信号処理４１３にて変調され同時にＤＢＦの演算処理が行われる。

変調後の信号９は、ＤＢＦの組み合わせに従い、振り分けスイッチ４１２は、無線装置１−ｋへ出力する信号は電気／光変換部４１１側へスイッチし、無線装置１−ｊへ出力する信号は第２スイッチ４４の＃０側へスイッチする。それぞれの変調後の信号９は、無線装置１−ｋ及び無線装置１−ｊへ導かれＤ／Ａ変換、周波数変換が行われた後、所望のアンテナ素子（２−ｋ―２１／２２、２−ｊ−２３／２４）より出力される。

続いて、装置の内部に故障が起きた場合の送信動作における通信経路について説明する。図１１は、無線アクセス制御部４２−１が故障した場合の送信動作における通信経路を示している。

通信ネットワーク５から入力される変調前の信号８は第３スイッチ４５の＃０、無線アクセス制御部４２−２、第２スイッチ４４の＃０を経由して変復調部４１−１に導かれて信号処理４１３にて変調され同時にＤＢＦの演算処理が行われる。以降は図１０の場合と同様である。

図１２は、第３スイッチ４５の＃０、第２スイッチ４４の＃０が故障した場合の送信動作における通信経路を示している。

無線アクセス制御部４２−１の振り分けスイッチ４２２，４２３、及び変復調部４１−１の振り分けスイッチ４１２を操作して、故障した第３スイッチ４５の＃０、第２スイッチ４４の＃０の代わりに第３スイッチ４５の＃１、第２スイッチ４４の＃１を選択することで通信経路を確保している。

通信ネットワーク５から入力される変調前の信号８は第３スイッチ４５の＃１、無線アクセス制御部４２−１、第２スイッチ４４の＃１を経由して変復調部４１−１に導かれて信号処理４１３にて変調され同時にＤＢＦの演算処理が行われる。

変調後の信号９は、ＤＢＦの組み合わせに従い、振り分けスイッチ４１２は、無線装置１−ｋへ出力する信号を電気／光変換部４１１側へスイッチし、無線装置１−ｊへ出力する信号を第２スイッチ４４の＃１側へスイッチする。それぞれの変調後の信号９は、無線装置１−ｋ及び無線装置１−ｊへ導かれ、Ｄ／Ａ変換、周波数変換が行われた後、所望のアンテナ素子（２−ｋ―２１／２２、２−ｊ−２３／２４）より出力される。

以上説明したように、第２実施形態である図９の構成では、上記第１実施形態の図５の構成における振り分けスイッチ４６２、及び第１スイッチ４３に相当するスイッチが独立して存在しない。その代わりに、振り分けスイッチ４１２、及び第２スイッチ４４間の通信帯域は変調前信号８と変調後信号９が同時に通過できるだけの帯域を確保するように構成している。

このように構成することで、振り分けスイッチ４１２及び第２スイッチ４４を経由して変調後信号９を通過させることができ、図５の構成における振り分けスイッチ４６２、および第１スイッチ４３に相当するスイッチを省略することが可能である。すなわち、上記第１実施形態に比較して少ないスイッチ構成で高度なＤＢＦと冗長性の両者を具備した無線基地局装置を実現できる。

（第３実施形態）
上記第２実施形態では、第２スイッチ４４の＃０，＃１の通信帯域は、変調前信号８と変調後信号９とが同時に通過できるだけの帯域を確保するように構成している。第３実施形態は、変調前信号８を第２スイッチ４４の＃０に通過させ、変調後信号９を第２スイッチ４４の＃１に通過させるようにすることで、第２スイッチ４４の通信帯域を分散させるものである。

第３実施形態の構成は、上記第２実施形態の図９と同様であり、信号の経路のみが異なるものである。

図１３は、第３実施形態の変復調装置における信号の経路を説明するものである。図１３は、変復調装置の内部に不具合が一切無い正常時の送信動作における通信経路を示す。

変調後の信号９は、ＤＢＦの組み合わせに従い、振り分けスイッチ４１２は無線装置１−ｋへ出力する信号は電気／光変換部４１１側へスイッチし、無線装置１−ｊへ出力する信号は第２スイッチ４４の＃１側へスイッチする。それぞれの変調後の信号９は無線装置１−ｋおよび無線装置１−ｊへ導かれＤ／Ａ変換、周波数変換が行われ所望のアンテナ素子（２−ｋ―２１／２２、２−ｊ−２３／２４）より出力される。

続いて、装置の内部に故障が起きた場合の送信動作における通信経路について説明する。図１４は、無線アクセス制御部４２−１が故障した場合の送信動作における通信経路を示している。

通信ネットワーク５から入力される変調前の信号８は第３スイッチ４５の＃０、無線アクセス制御部４２−２、第２スイッチ４４の＃０を経由して変復調部４１−１に導かれて信号処理４１３にて変調され同時にＤＢＦの演算処理が行われる。以降は図１３の場合と同様である。

以上述べたように、上記第３実施形態では、冗長化された第２スイッチ４４の予備系＃１を用いることで、変調後信号９を通過させるための経路を確保している。これにより、第２実施形態と比較して、第２スイッチ４４は必要な通信帯域を低減することが可能となり、高度なＤＢＦと冗長性の両者を具備した無線基地局装置をさらに小型化することが可能である。

なお、この発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１−ｎ…無線装置、２−ｎ…アレイアンテナ、３…光ファイバ、４…変復調装置、５…通信ネットワーク、６…インタフェースケーブル、７…端末、２１〜２４…アンテナ素子、１０１…周波数変換部、１０２…デジタル／アナログ変換部、１０３…電気／光変換部、４３…第１スイッチ、４４…第２スイッチ、４５…第３スイッチ、４２−１，４２−２…無線アクセス制御部、４２１…アクセス制御部、４２２，４２３…振り分けスイッチ、４１−１，４１−２…変復調部、４１１…電気／光変換部、４１２…振り分けスイッチ、４１３…信号処理部、４６−１，４６−２…インタフェース部、４６１…電気／光変換部、４６２…振り分けスイッチ。

Claims

複数のアンテナ素子を備え、前記複数のアンテナ素子毎に無線信号を送受信する複数の無線装置と、
前記無線信号を受信した場合に、前記複数の無線装置の各アンテナ素子により受信された信号を任意の組み合わせで選択し、前記無線信号を送信する場合に、変調信号を前記組み合わせに従って前記複数の無線装置へ出力する第１スイッチ手段と、
前記組み合わせ毎の受信信号をもとにＤＢＦ（Digital Beam Forming）を行う機能と、前記変調信号を生成する機能とを有する複数の信号処理手段と、
前記複数の信号処理手段の後段に配置される複数のアクセス制御手段と、
前記複数のアクセス制御手段を前記信号処理手段に選択的に接続する第２スイッチ手段と
を具備し、
前記第２スイッチ手段は、前記第１スイッチ手段の機能を集約し、現用系と予備系とを備えることを特徴とする無線基地局装置。
前記第１スイッチ手段の機能は、前記第２スイッチ手段の予備系で行なわれることを特徴とする請求項１記載の無線基地局装置。