JP5329482B2 - ダイバーシチ通信システム - Google Patents

Description

本発明は、集中基地局と互いに異なる位置に配置された複数の遠隔基地局とを光伝送路で接続し、各遠隔基地局が端末局から同一時刻、同一周波数で送信された信号（例えばＴＤＭＡ信号、ＯＦＤＭＡ信号）を集中基地局に転送し、集中基地局で各遠隔基地局からの信号をダイバーシチ合成受信するダイバーシチ通信システムに関する。

近年の無線通信では、利用可能な周波数の逼迫に伴い、より少ない周波数資源で効率的に通信を行う必要がある。一般に、通信可能な領域を面的に拡大するには、図６に示すように領域を区切り、領域ごとに基地局を配置し、各領域に互いに異なる周波数を割り当てることにより、互いに干渉の生じない通信を可能にする方法がある。この例では、各領域を六角形とし、中心の領域で周波数Ｆ１を用い、その周囲の領域では干渉を回避するために周波数Ｆ２〜Ｆ７を用いるために、合計で７種類の周波数が必要になる。しかし、実際の周波数資源は有限であるため、このような面的展開が必ずしも可能であるとは限らない。さらに、端末局が図６の各領域間を移動しても通信を維持するためには、端末局が通信する基地局を変更するハンドオーバ処理が発生し、システム構成が複雑になる。

そこで、単一の周波数で通信可能な領域を面的に拡大するＳＦＮ(Single Frequency Network)が提案されている。ＳＦＮは、図７に示すように、各領域に単一の周波数Ｆ１を用いる遠隔基地局を配置し、光伝送路を介して各遠隔基地局を集中基地局に接続する構成である。本構成において、基地局から端末局へ信号を送信する下りリンクでは、集中基地局からの信号が各遠隔基地局に伝送され、各遠隔基地局から同時に送信されて端末局に到達する。端末局から基地局へ信号を送信する上りリンクでは、端末局から送信された信号が各遠隔基地局に受信され、さらに集中基地局に到達し、集中基地局でダイバーシチ合成される。この結果、単一の周波数を用いて通信可能な領域を面的に拡大することができる。また、遠隔基地局は、上りと下りの各信号を中継するだけの簡易な構成であるので、ＳＦＮは全体の装置コストを低減することができる。さらに、集中基地局では端末局が領域を移動しても、移動を認識せずに通信を維持することができるので、ハンドオーバ処理が不要になる。

図８は、ＳＦＮを実現する従来のダイバーシチ通信システムの構成例を示す。
図において、集中基地局１０と遠隔基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、下りリンクの光伝送路３０ａ，３０ｂ，３０ｃおよび上りリンクの光伝送路３１ａ，３１ｂ，３１ｃを介して接続される。端末局５０は、遠隔基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃに接続され、さらに集中基地局１０に接続される。

まず、下りリンクの信号について説明する。
集中基地局１０は、外部のネットワーク１００からのデータ信号をネットワークインタフェース１１で受信し、このデータ信号と制御部１２からのシステムの送受信タイミングを指示する制御信号とを変調器１３で無線信号に変換する。なお、端末局５０の送受信タイミングを指示する制御信号は、データ信号の周波数と同一であることが一般的であり、遠隔基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃを制御する制御信号はデータ信号の周波数と異なることが一般的である。これらの信号は、Ｅ／Ｏ変換器１４で光信号に変換され、送信用光カプラ１５で分配され、それぞれ光伝送路３０ａ，３０ｂ，３０ｃを介して遠隔基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃに到達する。

遠隔基地局４０ａ（遠隔基地局４０ｂ，４０ｃも同様）は、光伝送路３０ａから到達した光信号をＯ／Ｅ変換器４１で電気信号に変換する。この電気信号のうち、データ信号は送信用増幅器４２で増幅された後、スイッチ４３、アンテナ４４を介して無線信号として送信され、端末局５０に受信される。なお、スイッチ４３は、制御部１２から伝送される制御信号に応じて送受信の切り替え制御を行う（図示せず）。

次に、上りリンクの信号について説明する。
端末局５０の送信信号は、遠隔基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃに到達する。遠隔基地局４０ａ（遠隔基地局４０ｂ，４０ｃも同様）は、アンテナ４４で受信した信号をスイッチ４３を介して受信用増幅器４５に入力し、受信用増幅器４５で増幅された信号をＥ／Ｏ変換器４６で光信号に変換し、光伝送路３１ａを介して集中基地局１０に送出する。

集中基地局１０には、遠隔基地局４０ａからの光信号とともに、遠隔基地局４０ｂ，４０ｃからの光信号も到達する。これらの光信号は、それぞれＯ／Ｅ変換器１７ａ，１７ｂ，１７ｃで電気信号に変換され、それぞれ復調器１８ａ，１８ｂ，１８ｃで復調される。復調された各信号は、検波後合成器２０で検波後ダイバーシチ合成した後に符号判定器１９でデータ信号に変換される。このデータ信号は、ネットワークインタフェース１１を介して外部のネットワーク１００に送出される。

なお、検波後合成器２０では検波後ダイバーシチ合成法として、非特許文献１に記載されているレベルが高い信号を選択する選択合成や、位相を揃えて合成する等利得合成や、信号雑音比を最大にする最大比合成等が用いられる。

このような従来のダイバーシチ通信システムは、集中基地局１０において、遠隔基地局の数と同数の受信系統を用意する必要があるため、ＳＦＮを用いた場合であってもコスト削減効果が十分ではなかった。

特開平１１−２５２６１６号公報

斉藤洋一、ディジタル無線通信の変復調、電子情報通信学会、pp.189-193

図８のダイバーシチ通信システムは、集中基地局において遠隔基地局と同数の受信系統が必要となり、装置構成が大規模となり、装置コストが増加する問題があった。

本発明は、集中基地局における受信系統の数を削減し、装置構成の簡易化および低コスト化を実現し、さらに高い通信品質を得ることができるダイバーシチ通信システムを提供することを目的とする。

本発明は、端末局と無線回線を介して接続される複数の遠隔基地局と、複数の遠隔基地局とそれぞれ光伝送路を介して接続される１つの集中基地局とを備え、複数の遠隔基地局が端末局から受信した上り無線信号を光信号に変換し、光伝送路を介して集中基地局に送信し、集中基地局が受信した複数の光信号をダイバーシチ合成するダイバーシチ通信システムにおいて、集中基地局は、選択した遠隔基地局のみが光信号を送信するように複数の遠隔基地局を制御し、受信した複数の光信号を検波前合成し、合成した光信号を電気信号に変換して復調処理を行う構成であり、複数の遠隔基地局は、光信号の送信をオンオフする制御手段を備え、集中基地局は、通信を開始するときに、複数の遠隔基地局から２以上を選択する全ての組み合わせについて検波前合成した光信号の受信電力を測定し、受信電力が最大となる組み合わせの遠隔基地局を選択し、該選択した遠隔基地局のみが光信号を送信するように複数の遠隔基地局を制御する制御手段を備える。

遠隔基地局および集中基地局の制御手段は、遠隔基地局で無線信号を光信号に変換するＥ／Ｏ変換器のバイアスを制御してオンオフし、受信電力を測定する遠隔基地局の組み合わせを選択する構成である。

複数の遠隔基地局はそれぞれ拡散符号変調を行い、集中基地局の制御手段は逆拡散符号変調を行って受信電力を測定する遠隔基地局の組み合わせを選択する構成である。

集中基地局の制御手段は、遠隔基地局ごとの受信電力を事前に把握し、所定の受信電力を有する遠隔基地局から２以上を選択する全ての組み合わせについて検波前合成した光信号の受信電力を測定し、受信電力が最大となる組み合わせの遠隔基地局を選択する構成としてもよい。

集中基地局の制御手段は、端末局ごとに異なる周波数チャネルを利用するときに、選択した遠隔基地局からの受信信号の和の信号から周波数チャネルごとの受信電力を測定し、該受信電力から求められる周波数チャネルごとの通信容量を計算し、その通信容量が最大となる遠隔基地局の組を決定する構成である。端末局ごとに異なる周波数チャネルはＯＦＤＭ信号の各サブキャリアを用いてもよい。

本発明のダイバーシチ通信システムは、集中基地局で選択した遠隔基地局からの光信号を検波前合成し、合成された光信号を電気信号に変換して復調する構成により、集中基地局の受信系統を遠隔基地局数より少ない数に集約することができる。これにより、装置構成の簡易化および低コスト化を実現することができる。

本発明のダイバーシチ通信システムは、各遠隔基地局内のＥ／Ｏ変換器のバイアスを制御し、取り得る遠隔基地局の組み合わせに対して集中基地局における受信電力を測定し、これが最大となるＥ／Ｏ変換器に対してバイアスを入力する。この結果、検波前合成によっても十分に良好なダイバーシチ効果を得て通信品質を改善することができる。

本発明のダイバーシチ通信システムの実施例１の構成例を示す図である。 Ｅ／Ｏ変換器４６およびバイアス制御部４７の構成例を示す図である。 端末局５０が自律的に上り信号を送出する場合の動作例１を示す図である。 制御部１２からの指示に従って端末局５０が上り信号を送出する場合の動作例２を示す図である。 本発明のダイバーシチ通信システムの実施例２の構成例を示す図である。 複数の周波数を用いた面的展開の例を示す図である。 ＳＦＮを用いた面的展開の例を示す図である。 ＳＦＮを実現する従来のダイバーシチ通信システムの構成例を示す図である。

図１は、本発明のダイバーシチ通信システムの実施例１の構成例を示す。
図において、集中基地局１０と遠隔基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃとは、下りリンクの光伝送路３０ａ，３０ｂ，３０ｃおよび上りリンクの光伝送路３１ａ，３１ｂ，３１ｃを介して接続される。端末局５０は、遠隔基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃを介して集中基地局１０に接続される。

集中基地局１０を構成するネットワークインタフェース１１、制御部１２、変調器１３、Ｅ／Ｏ変換器１４、送信用光カプラ１５、Ｏ／Ｅ変換器１７、復調器１８、符号判定器１９は、図８に示す従来の集中基地局１０と同じ機能を有する。遠隔基地局４０ａ（遠隔基地局４０ｂ，４０ｃも同様）を構成するＯ／Ｅ変換器４１、送信用増幅器４２、スイッチ４３、受信用増幅器４５、Ｅ／Ｏ変換器４６は、図８に示す従来の遠隔基地局４０ａと同じ機能を有する。

本実施例の特徴は、集中基地局１０に受信用光カプラ１６を備え、各遠隔基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃから光伝送路３１ａ，３１ｂ，３１ｃを介して伝送された光信号を検波前合成し、１系統の光信号としてＯ／Ｅ変換器１８に入力する構成であり、さらに各遠隔基地局４０ａ（遠隔基地局４０ｂ，４０ｃも同様）内のバイアス制御部４７によりＥ／Ｏ変換器４６へ入力するバイアスを制御してＥ／Ｏ変換器４６をオンオフする構成であり、さらに制御部１２における遠隔基地局の選択機能にある。また、バイアスの高速スイッチング可能な特性を利用して、全ての遠隔基地局の組み合わせに対しての受信電力を測定する点にも特徴がある。

なお、端末局から遠隔基地局までの空間および光伝送路を通過し、受信用光カプラ１６で検波前合成される各光信号の遅延時間差は、例えばＯＦＤＭ信号におけるガードインターバル内に収まる程度となる等、遠隔基地局間の到来時間差が大きく異なり、異なる情報が合成されることに起因したシンボル間干渉が発生しない範囲でほぼ等しくなるように調整されている。また、各々の遠隔基地局の光信号の波長は、温度制御ならびに発振波長の選択などにより、ビート雑音の影響が生じない波長の組み合わせに予め設定されている。

下りリンクの信号は従来構成と同様であり、集中基地局１０から光伝送路３０ａ，３０ｂ，３０ｃを介して伝送された光信号は、各遠隔基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃで無線信号に変換してアンテナ４４から送信され、端末局５０が受信する。

次に、上りリンクの信号について説明する。
端末局５０の送信信号は、遠隔基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃに到達する。遠隔基地局４０ａ（遠隔基地局４０ｂ，４０ｃも同様）は、アンテナ４４で受信した信号をスイッチ４３を介して受信用増幅器４５に入力し、受信用増幅器４５で増幅された信号をＥ／Ｏ変換器４６で光信号に変換し、光伝送路３１ａを介して集中基地局１０に送出する。バイアス制御部４７は、Ｅ／Ｏ変換器４６のバイアスを制御することにより、その遠隔基地局から集中基地局への送信動作を制御する。バイアス制御回路４７およびＥ／Ｏ変換器４６の構成例は、図２に示すように、ＬＣ回路を介して送信信号にバイアス電圧を重畳してレーザダイオードを駆動する構成である。スイッチング速度は、例えば10Ｇbps 程度が得られる。

集中基地局１０の制御部１２は、遠隔基地局４０ａ，４０ｂ，４０ｃのバイアス制御部４７を介してＥ／Ｏ変換器４６へ入力するバイアスを制御することにより、Ｅ／Ｏ変換器４６をオンオフする遠隔基地局の組み合わせを設定する。さらに制御部１２は、設定した遠隔基地局の組み合わせごとの受信電力を測定し、これが最大となる遠隔基地局の組み合わせを決定し、その遠隔基地局のＥ／Ｏ変換器４６をオンとし、他をオフとする制御を行う。これにより、端末局５０が送信する上り信号は、集中基地局１０における受信電力が最大となる組み合わせの遠隔基地局を介して集中基地局１０に受信され、検波前合成によっても十分に良好なダイバーシチ効果を得て通信品質を改善することができる。

なお、使用する遠隔基地局の探索の過程において、遠隔基地局を１ずつ駆動させ、各遠隔基地局を経由する上り信号の受信電力から、ダイバーシチ合成に寄与するレベルを有する遠隔基地局のみを試行の対象とすることで、取り得る組み合わせの数を減少させ、探索を簡略化してもよい。

図３は、端末局５０が自律的に上り信号を送出する場合の動作例１である。
集中基地局１０の制御部１２は、所定の遠隔基地局のバイアス制御部４７を制御し、当該遠隔基地局のＥ／Ｏ変換器４６を駆動する。端末局５０は、自律的にトレーニング信号またはデータ信号を送信している。この上り信号は、Ｅ／Ｏ変換器４６がオンの遠隔基地局を介して集中基地局１０に受信され、その受信電力が制御部１２に通知される。制御部１２は、全ての遠隔基地局の組み合わせに対する受信電力を比較し、それが最大となる遠隔基地局の組み合わせを決定し、その遠隔基地局のＥ／Ｏ変換器４６をオンとする。

図４は、制御部１２からの指示に従って端末局５０が上り信号を送出する場合の動作例２である。端末局５０が集中基地局１０の制御部１２からの指示に応じて信号を送信する他は、図３に示す動作例１と同様である。

図５は、本発明のダイバーシチ通信システムの実施例２の構成例を示す。
実施例１は、集中基地局１０の制御部１２において、Ｅ／Ｏ変換器４６を駆動する遠隔基地局の組み合わせを選択し、その遠隔基地局の組み合わせごとの受信電力を測定し、これが最大となる遠隔基地局の組み合わせを決定し、その遠隔基地局のＥ／Ｏ変換器４６をオンとする制御を行う構成であった。

本実施例の特徴は、各遠隔基地局のＥ／Ｏ変換器４６をオンオフせずに、拡散符号を用いて受信電力を測定する遠隔基地局の組み合わせを選択するところにある。図５において、遠隔基地局４０ａ（遠隔基地局４０ｂ，４０ｃも同様）に拡散符号器４８およびミキサ４９を備え、遠隔基地局固有の拡散符号で拡散処理する。集中基地局１０では、Ｏ／Ｅ変換器１７の出力を分岐して各遠隔基地局の拡散符号に対応する逆拡散器２１ａ〜２１ｃに入力し、判別器２２で遠隔基地局の組み合わせに応じた受信電力を測定し、制御部１２に通知する。制御部１２は、これが最大となる遠隔基地局の組み合わせを決定し、その遠隔基地局のＥ／Ｏ変換器４６をオンとして拡散処理を停止する制御を行うとともに、他をオフとする。これにより、端末局５０が送信する上り信号は、集中基地局１０における受信電力が最大となる組み合わせの遠隔基地局を介して集中基地局１０に受信され、検波前合成によっても十分に良好なダイバーシチ効果を得て通信品質を改善することができる。

このように、本実施例では、各遠隔基地局のＥ／Ｏ変換器４６をオンにしたまま、遠隔基地局の組み合わせたに応じた受信電力を比較できるため、短時間で最大受信電力が得られる遠隔基地局の組み合わせてを決定することができる。

実施例３では、複数の周波数チャネルの利用が可能な無線通信を想定する。この複数の周波数チャネルは、使用する周波数が異なる複数のシングルキャリア信号であってもよいし、ＯＦＤＭ変調の各サブキャリアであってもよいし、また隣接する伝搬特性が類似した複数のサブキャリアをまとめたサブチャネルであってもよい。伝搬に周波数選択性フェージングを想定し、１端末局から見た各周波数チャネルの受信電力は異なるものとする。

本実施例は、実施例１および実施例２において、上記の周波数チャネルの条件において端末局毎に使用する遠隔基地局を選択する動作にある。下りリンクの信号経路および上りリンクの信号経路は実施例１および実施例２と同様であるため省略する。

以下、図１を参照し、本実施例に特有の集中基地局１０の制御部１２における使用する遠隔基地局の決定について説明する。試行段階として、使用する遠隔基地局の組み合わせを与える。この組み合わせに対し、周波数チャネル毎の受信電力から導かれる通信容量を計算する。通信容量は、利用可能な変調方式としてもよいし、 log｜Ｓ／Ｎ＋１｜ (Ｓ／Ｎは信号対ノイズ比) から求められる伝送容量を用いてもよい。そして、得られた周波数チャネル毎の通信容量の和を求める。この動作を全ての遠隔基地局の組み合わせに対して実施し、通信容量が最大となる組み合わせを決定する。

なお、使用する遠隔基地局の組は、実行可能な全ての組を試行してもよいし、遺伝的アルゴリズム等の発見的なアプローチを用いて準最適解を得てもよい。これにより、多くの周波数チャネルの伝搬チャネルベクトルは大きさが増加するように加算され、周波数チャネル全体で評価した場合の集中基地局における受信電力が高められ、通信品質を改善することができる。

また、探索の過程において、各遠隔基地局を経由する上り信号の伝搬チャネルベクトルの推定結果から、信号の伝送に寄与する受信レベルを有する伝搬チャネルベクトルのみを遠隔基地局決定の試行の対象とすることで、取り得る組み合わせの数を減少させ、探索を簡略化してもよい。

本発明のダイバーシチ通信システムは、集中基地局の受信系統を遠隔基地局数より少ない数に集約することができ、装置構成の簡易化および低コスト化を実現することができる。

本発明のダイバーシチ通信システムは、十分な信号電力を有する遠隔基地局からの光信号のみを検波前合成することができるので、検波前合成によっても高い通信品質を確保することができる。さらに、検波後ダイバーシチ合成を組合せることにより、さらに高い通信品質を確保することができる。

１０ 集中基地局
１１ ネットワークインタフェース
１２ 制御部
１３ 変調器
１４ Ｅ／Ｏ変換器
１５ 送信用光カプラ
１６ 受信用光カプラ
１７ Ｏ／Ｅ変換器
１８ 復調器
１９ 符号判定器
２０ 検波後合成器
２１ 逆拡散器
２２ 判別器
３０ 下りリンクの光伝送路
３１ 上りリンクの光伝送路
４０ 遠隔基地局
４１ Ｏ／Ｅ変換器
４２ 送信用増幅器
４３ スイッチ
４４ アンテナ
４５ 受信用増幅器
４６ Ｅ／Ｏ変換器
４７ バイアス制御部
４８ 拡散符号器
４９ ミクサ
５０ 端末局
１００ ネットワーク

Claims (6)

1. 端末局と無線回線を介して接続される複数の遠隔基地局と、
   前記複数の遠隔基地局とそれぞれ光伝送路を介して接続される１つの集中基地局とを備え、
   前記複数の遠隔基地局が前記端末局から受信した上り無線信号を光信号に変換し、前記光伝送路を介して前記集中基地局に送信し、前記集中基地局が受信した複数の光信号をダイバーシチ合成するダイバーシチ通信システムにおいて、
   前記集中基地局は、選択した遠隔基地局のみが前記光信号を送信するように前記複数の遠隔基地局を制御し、受信した複数の光信号を検波前合成し、合成した光信号を電気信号に変換して復調処理を行う構成であり、
   前記複数の遠隔基地局は、前記光信号の送信をオンオフする制御手段を備え、
   前記集中基地局は、通信を開始するときに、前記複数の遠隔基地局から２以上を選択する全ての組み合わせについて前記検波前合成した光信号の受信電力を測定し、受信電力が最大となる組み合わせの遠隔基地局を選択し、該選択した遠隔基地局のみが前記光信号を送信するように前記複数の遠隔基地局を制御する制御手段を備えた
   ことを特徴とするダイバーシチ通信システム。
2. 請求項１に記載のダイバーシチ通信システムにおいて、
   前記遠隔基地局および前記集中基地局の制御手段は、前記遠隔基地局で前記無線信号を前記光信号に変換するＥ／Ｏ変換器のバイアスを制御してオンオフし、受信電力を測定する前記遠隔基地局の組み合わせを選択する構成である
   ことを特徴とするダイバーシチ通信システム。
3. 端末局と無線回線を介して接続される複数の遠隔基地局と、
   前記複数の遠隔基地局とそれぞれ光伝送路を介して接続される１つの集中基地局とを備え、
   前記複数の遠隔基地局が前記端末局から受信した上り無線信号を光信号に変換し、前記光伝送路を介して前記集中基地局に送信し、前記集中基地局が受信した複数の光信号をダイバーシチ合成するダイバーシチ通信システムにおいて、
   前記集中基地局は、選択した遠隔基地局のみが前記光信号を送信するように前記複数の遠隔基地局を制御し、受信した複数の光信号を検波前合成し、合成した光信号を電気信号に変換して復調処理を行う構成であり、
   前記複数の遠隔基地局は、前記光信号の送信をオンオフする制御手段を備え、
   前記集中基地局は、通信を開始するときに、前記複数の遠隔基地局から２以上を選択する全ての組み合わせについて前記検波前合成した光信号の受信電力を測定し、受信電力が最大となる組み合わせの遠隔基地局を選択し、該選択した遠隔基地局のみが前記光信号を送信するように前記複数の遠隔基地局を制御する制御手段を備え、
   前記複数の遠隔基地局はそれぞれ拡散符号変調を行い、前記集中基地局の制御手段は逆拡散符号変調を行って受信電力を測定する前記遠隔基地局の組み合わせを選択する構成である
   ことを特徴とするダイバーシチ通信システム。
   
4. 請求項２または請求項３に記載のダイバーシチ通信システムにおいて、
   前記集中基地局の制御手段は、前記遠隔基地局ごとの受信電力を事前に把握し、所定の受信電力を有する遠隔基地局から２以上を選択する全ての組み合わせについて前記検波前合成した光信号の受信電力を測定し、受信電力が最大となる組み合わせの遠隔基地局を選択する構成である
   ことを特徴とするダイバーシチ通信システム。
5. 請求項１に記載のダイバーシチ通信システムにおいて、
   前記集中基地局の制御手段は、端末局ごとに異なる周波数チャネルを利用するときに、選択した前記遠隔基地局からの受信信号の和の信号から周波数チャネルごとの受信電力を測定し、該受信電力から求められる周波数チャネルごとの通信容量を計算し、その通信容量が最大となる遠隔基地局の組を決定する構成である
   ことを特徴とするダイバーシチ通信システム。
6. 請求項５に記載のダイバーシチ通信システムにおいて、
   前記端末局ごとに異なる周波数チャネルはＯＦＤＭ信号の各サブキャリアを用いる
   ことを特徴とするダイバーシチ通信システム。

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