JP5121863B2 - 無線基地局装置 - Google Patents

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。

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、高利得で柔軟な指向性制御が可能なアンテナビームを形成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からそれぞれ信号を受信する複数の無線装置と、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の中から任意の組み合わせで前記信号を選択する選択手段と、前記組み合わせ毎の受信信号をもとにＤＢＦ（Digital Beam Forming）を行う複数の信号処理手段とを具備す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、高利得で柔軟な指向性制御が可能なアンテナビームを形成する無線基地局装置を提供することができる。

本発明の一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実施形態の変形例１を示すブロック図。 第１実施形態の変形例２を示すブロック図。 変形例２の指向性パターンを示す図。 第１実施形態の変形例３を示すブロック図。 本発明の第２実施形態に係る無線基地局装置を示すブロック図。 第２実施形態の指向性パターンを示す図。 第２実施形態に係る無線基地局装置の信号経路の一例を示す図。 第２実施形態に係る無線基地局装置の信号経路の他の例を示す図。 本発明の第３実施形態に係る無線基地局装置を示すブロック図。 第３実施形態に係る無線基地局装置の信号経路の一例を示す図。 第３実施形態に係る無線基地局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。
図１に、本発明の一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から構成されるアレイアンテナ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。

（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ものである。

図２に、第１実施形態に係る無線基地局装置のブロック図を示す。第１実施形態の無線基地局装置は、１つの変復調装置４Ａに２つの無線装置１−ｋ，１−ｊが接続される。無線装置１−ｋ，１−ｊ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−ｋ，１−ｊには、４つのアンテナ素子２１，２２，２３，２４から構成されるアレイアンテナ２−ｋ，２−ｊが接続されている。

変復調装置４Ａは、２つの光／電気変換器４０１−１，４０１−２と、演算器４０２とを備える。演算器４０２にはＤＢＦ処理を行う二組の演算プロセス４０２１，４０２２が実装されており、それぞれが４本のアンテナ素子２１〜２４に対応したＤＢＦ演算を行なう。また、演算器４０２は、スイッチ部４０２３を備え、アレイアンテナ２−ｋ，２−ｊのアンテナ素子２１〜２４を任意の組み合わせで受信信号を選択することができる。変復調装置４Ａと無線装置１−ｋ，１−ｊとの間は、電気／光変換部４０１−１，４０１−２及び電気／光変換部１０３によって光ファイバ３などの伝送路を介して接続される。

次に、このように構成された第１実施形態の動作について説明する。図２、図３を用いて端末７１が無線装置１−ｋと通信する場合を説明する。まず、図２に示すとおり、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２１，２２、及び無線装置１−ｋのアンテナ素子２３，２４と無線装置１−ｊのアンテナ素子２３，２４がグループ化されている。変復調装置４Ａと各アンテナ素子２１〜２４は、電気／光変換部１０３、デジタル／アナログ変換部１０２、周波数変換部１０１を経て接続されている。

周波数変換部１０１は、アンテナで送受する高い周波数の無線信号を扱いやすい低い周波数である中間周波数に変換する。デジタル／アナログ変換部１０２は、アナログ信号である中間周波数信号をデジタル信号に変換したり、デジタル信号をアナログ信号である中間周波数信号に変換する。電気／光変換部１０３，４０１−１，４０１−２は、無線装置３０と変復調装置４Ａを光ファイバで接続するための電気信号と光信号との間の変換を行う。演算器４０２はＤＢＦ処理を行う演算プロセス４０２１，４０２２、及びデジタル信号のグループ化を行うスイッチプロセス４０２３を実行する。

ここで、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２１、２２、及び、無線装置１−ｋのアンテナ素子２３、２４と無線装置１−ｊのアンテナ素子２３、２４がグループ化されているものとする。スイッチプロセス４０２３は、グループ化されたアンテナに対応したデジタル信号が同じ演算プロセス４０２１，４０２２と入出力できるようにグループ化している。

次に、端末７１が無線装置１−ｋと通信する例を説明する。まず演算プロセス４０２１は、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２１，２２とから入力されたデジタル信号を演算し、端末７１から受信した信号レベルが最も大きくかつ安定した状態になるよう、同時に端末７１以外の信号例えば端末７２の受信信号レベルは最低となるよう各アンテナ素子２１〜２４ごとの重み付け係数を求める。

このように制御することで、図３に示すように２セルにわたる範囲でのＤＢＦが実現でき、端末７１に対して最適な受信指向性が得られる。すなわち、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から送信された信号は、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から送信された信号は、逆に受信レベルが低くなるので、端末７１は端末７２からの混信を避け安定した通信が可能となる。

また、端末７１へ送信する際は、受信で得られた重み付け係数を基に各アンテナ素子２１〜２４へ出力する信号を演算して送出する。このようにすることで、送信の際にも最適な指向性が得られる。

なお、このとき例えば無線装置１−ｋのアンテナ素子２１と無線装置１−ｊのアンテナ素子２１との間の距離は、無線装置１−ｋのアンテナ素子２１と無線装置１−ｋのアンテナ素子２２との間の距離に比較して桁違いに大きく設計できるため、従来方式のＤＢＦよりも高い利得が得られる。

すなわち、第１実施形態によれば、従来方式と比較してアンテナ間隔を飛躍的に大きくすることが可能となり、その結果、従来のＤＢＦよりも高い利得を得られる無線基地局装置を実現することができる。また、従来はＤＢＦのアンテナ素子の組み合わせが狭い範囲で限定的であったものを、第１実施形態はＤＢＦのアンテナ素子の組み合わせに自由度と柔軟性とを合わせて提供することが可能となる。

（変形例１）
図４は、第１実施形態の変形例１を示すブロック図である。変形例１の無線基地局装置と上記図２の構成との違いは変復調装置４Ｂにある。

変復調装置４Ｂは、電気／光変換器４０１−１，４０１−２と、２つの演算器４０２−１，４０２−２と、スイッチ４０３とを備える。各演算器４０２−１，４０２−２は、それぞれ１つの演算プロセス４０２１，４０２２を実装している。そのため、ＤＢＦを構成するアンテナ素子２１〜２４に対応するデジタル信号のグループ化は、演算器４０２−１，４０２−２に前置されたスイッチ４０３によって行われる。

（変形例２）
図５は、第１実施形態の変形例２を示すブロック図である。上記図２では、２つの無線装置１−ｋ，１−ｊにより、８本のアンテナ素子間でＤＢＦを実現する手法を示した。図５は、４つの無線装置１−ｋ，１−ｊ，１−ｌ，１−ｍを備え、１６本のアンテナ素子間でＤＢＦを実現する方法を示す。変復調装置４Ｃ−１、４Ｃ−２に配置される演算器４０２−１，４０２−２に前置するようにスイッチ４０３を配置する。これまで説明したようにＤＢＦを構成するグループの形成をスイッチ４３が行う。このように構成することで、図６に示すような４セルにわたる広範囲でのＤＢＦが実現できる。上記図３の場合と比較して、さらにＤＢＦのアンテナ素子の組み合わせに自由度と柔軟性とを合わせて提供することが可能となる。

（変形例３）
図７は、第１実施形態の変形例３を示すブロック図である。上記図２では、変復調装置４と無線装置１−ｎとを分離した構成を示したが、図７の無線基地局装置１１は、無線装置１Ｄを一体に構成し、無線装置１Ｄとアレイアンテナ２−ｋ，２−ｊとの間に相当の距離をおいた例である。変復調装置４Ｄにおいて演算器４０２−１，４０２−２とそれに前置したスイッチ４０３によりＤＢＦを提供する構成は、図４に示した変形例１と同じである。図示しないが、上記図２のように、演算器のプロセスとしてスイッチ手段を実装するようにしてもよい。このように変復調装置と無線装置とを一体化して構成した場合でも、ＤＢＦを構成するアンテナ素子が相当距離を離れて設置されれば上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

（その他の変形例）
また、上記第１実施形態及び各変形例において、スイッチプロセス４０２３、もしくは、スイッチ４０３で任意の時刻に任意のグループを構成できるようにすることで、ＤＢＦの再構築を自由に行うことが可能となり、端末の移動や周波数の再利用などに柔軟に対応できる利点がある。

（第２実施形態）
無線通信システムに供される装置は高い信頼性が必要である。装置の信頼性を高める方法の１つとして、重要な機能を冗長化する方法がある。そこで、本発明の第２実施形態は、上記第１実施形態で実現される高利得なＤＢＦを備え、さらに変復調装置の一部の機能を冗長化するものである。
なお、第２実施形態の無線基地局装置の全体構成は、上記図１と同様であるため、図１を用いて以下の説明を行う。また、無線装置１−ｋ，１−ｊは、上記第１実施形態の図２で示した構成と同一に構成される。

図８に、第２実施形態に係る変復調装置のブロック図を示す。変復調装置は、第３スイッチ４５、無線アクセス制御部４２−１，４２−２、第２スイッチ４４、変復調部４１−１，４１−２，第１スイッチ４３、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、データの伝送制御を行うアクセス制御部４２１を備える。無線基地局装置は、無線アクセス制御部４２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、ＤＢＦを形成するアンテナ素子の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は、振り分けスイッチ４１２と、信号処理部４１３とを備える。インタフェース部４６−１，４６−２は、電気／光変換部４６１と、振り分けスイッチ４６２とを備える。変復調部４１−１の振り分けスイッチ４１２は、第２のスイッチ４４および第１のスイッチ４３と接続され、無線アクセス制御部４２、インタフェース部４６、および信号処理部４１３との間を相互に信号を接続するもので、インタフェース部の振り分けスイッチ４６２は、第１スイッチ４３および電気／光変換部４６１と接続され、変復調部４１とインタフェース部４６との間を相互に信号を接続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。

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１２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９に示すような指向性パターンが得られる。

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のアンテナ端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アンテナ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。

ここで、第１スイッチ４３は、ＤＢＦを形成するアンテナの信号をグループ化して信号処理プロセスへ導くためのもので、信号処理４１３に前置することで変復調装置に入出力される複数のアンテナ素子のデータ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１０は、無線基地局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から入力される変調前の信号は、第３スイッチ４５、無線アクセス制御部４２−１、第２スイッチ４４を経由して変復調部４１−１に導かれて信号処理部４１３にて変調され同時にＤＢＦの演算処理が行われる。

変調後の信号は、第１スイッチ４３にてＤＢＦの組み合わせに従いスイッチされインタフェース部４６−１，４６−２で電気／光信号変換され、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。

第３スイッチ４５及び第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は、第３スイッチ４５、無線アクセス制御部４２−２、第２スイッチ４４を経由して変復調部４１−１に導かれて信号処理部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。

以上説明してきたように、上記第２の実施形態によれば、無線基地局装置において高機能なＤＢＦと冗長性の両方を実現することが可能となる。

（第３実施形態）
上記第２の実施形態によれば、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３実施形態では、上記第２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３実施形態は、上記第２実施形態で示した図８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１２は、本発明の第３実施形態である変復調装置４のブロック図である。この変復調装置は、第３スイッチ４５、無線アクセス制御部４２−１，４２−２、第２スイッチ４４、および変復調部４１−１，４１−２を備える。無線アクセス制御部４２−１，４２−２は、データの伝送制御を行うアクセス制御部４２１を備える。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。変復調部４１−１，４１−２は、電気／光変換部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１３は、図１２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。

通信ネットワーク５から入力された変調前の信号は、第３スイッチ４５、無線アクセス制御部４２−１、及び第２スイッチ４４を経由して変復調部４１−１に導かれて振り分けスイッチ４１２を経て信号処理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側へスイッチする。それぞれの変調後の信号は、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所望のアンテナ素子（２−ｋ−２１／２２、２−ｊ−２３／２４）より送信される。

続いて、変復調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。

第３スイッチ４５及び第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は、第３スイッチ４５、無線アクセス制御部４２−２、及び第２スイッチ４４を経由して変復調部４１−１に導かれて振り分けスイッチ４１２を経て信号処理４１３にて変調され同時にＤＢＦの演算処理が行われる。以降は上記図１３の場合と同様である。

以上説明したように、上記第３の実施形態である図１２の構成は、上記第２の実施形態である図８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、変調前信号と変調後信号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および第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、上記第２実施形態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。したがって、上記第３の実施形態によれば、上記第２実施形態と比較して少ないスイッチ構成で高度なＤＢＦと冗長性の両者を備えた無線通信基地局を実現することができる。

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、４Ａ…第１実施形態の変復調装置、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、４０１−１，４０１−２…電気／光変換部、４０２…演算器、４０２１，４０２２…演算プロセス、４０２３…スイッチプロセス、４Ｂ…変形例１の変復調装置、４０３…スイッチ、４０２−１，４０２−２…演算器、４Ｃ−１，４Ｃ−２…変形例２の変復調装置、４Ｄ…変形例３の変復調装置、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、４１−１，４１−２…変復調部、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、４１１…電気／光変換部、４１２…振り分けスイッチ、４１３…信号処理部。

Claims (3)

1. 複数のアンテナ素子を備え、前記複数のアンテナ素子からそれぞれ信号を受信する複数の無線装置と、
   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の中から任意の組み合わせで前記信号を選択する第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）を行う複数の信号処理手段と、
   前記ＤＢＦで対をなすアンテナ素子の組み合わせを前記第１スイッチ手段に設定する設定手段と
   を具備することを特徴とする無線基地局装置。
2. 複数のアンテナ素子を備え、前記複数のアンテナ素子からそれぞれ信号を受信する複数の無線装置と、
   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の中から任意の組み合わせで前記信号を選択する第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）を行う複数の信号処理手段と、
   前記ＤＢＦで対をなすアンテナ素子の組み合わせを任意の時刻に前記第１スイッチ手段に設定する設定手段と
   を具備することを特徴とする無線基地局装置。
3. 複数のアンテナ素子を備え、前記複数のアンテナ素子からそれぞれ信号を受信する複数の無線装置と、
   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の中から任意の組み合わせで前記信号を選択する第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スイッチ手段として共通に用いられることを特徴とする無線基地局装置。

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