JP5582782B2 - 分散デュプレクサを使用した基地局アーキテクチュア - Google Patents

Description

本発明は、一般には、移動通信に関し、より詳細には、移動通信で使用される基地局に関する。

移動通信は、適切なネットワーク・アーキテクチュアを用いて実装される。図１は、例示的な移動網アーキテクチュアのハイレベル・ブロック図を示している。図１で、装置１０２は、第１の基地局１０４と通信することができる無線移動装置である。通常、こうしたアクセスには、たとえば符号分割多元接続（ＣＤＭＡ：Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）、時分割多重（ＴＤＭＡ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）など、多重技術が使用される。ネットワークは、第１の基地局１０４と、第２の基地局１０６と、第３の基地局１０８とを含む。それぞれの基地局１０４、１０６、１０８は、セル１１０、１１２、１１４を画定する送信範囲を有する。所与の任意の基地局が、セルのアンテナを介して移動呼を送受信する。したがって、所与のセル内に位置する無線移動装置は、そのセルに関連する基地局に／から呼情報を送受信する。

それぞれの基地局１０４、１０６、１０８は、移動交換局（ＭＳＣ：ｍｏｂｉｌｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ）１１６と通信し、それによって制御される。ＭＳＣ １１６は、セルラ網と公衆交換電話網ＰＳＴＮの間で、またその逆に呼を切り換える。たとえば、電話局（ＣＯ：ｃｅｎｔｒａｌ ｏｆｆｉｃｅ）１２４に接続された固定電話１２０について考えてみる。ＣＯ １２４は、ＭＳＣ １１６と通信する。固定電話１２０のユーザが移動装置１０２を呼び出すとき、呼は、よく知られているやり方でＭＳＣ １１６にルーティングされる。一般的なＭＳＣは、すべての携帯電話のセル位置を認識しており、移動装置１０２が第１のセル１１０内に位置するので、第１の基地局１０４に呼を向けて送る。

図２は、従来の基地局２００のより詳細なブロック図を示している。基地局２００は、第１の無線機２０４、第２の無線機２０８および第３の無線機２１２など、複数の無線機を含む。それぞれの無線機２０４、２０８、２１２は、移動装置に送信される特定の周波数を有する送信信号を生成し、また移動装置から基地局によって受信された信号を解析し／処理する。各無線機２０４、２０８、２１２によって生成された信号は、信号を移動装置に送信する前に増幅するために、それぞれの電力増幅器（ＰＡ：ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）２２０、２２４、２２８にまず送られる。各ＰＡ ２２０、２２４、２２８の出力信号（増幅信号）は、アンテナ・インターフェース・フレームＡＩＦ２３２に送信される。

より詳細には、出力信号（たとえば第１の出力信号２３６）は、ＰＡ（たとえば第１のＰＡ ２２０）からＡＩＦ ２３２の送信コンバイナ２４０に送信される。送信コンバイナ２４０は、ＰＡ ２２０、２２４、２２８からの出力信号を合成して、単一の出力信号２４４にする。単一の出力信号２４４は、各ＰＡ ２２０、２２４、２２８の出力信号に関連する電力（すなわち信号スペクトル）の合計である電力を有する。次いで、送信コンバイナ２４０の出力信号２４４は、ＡＩＦ ２３２の中央デュプレクサ２４８への入力として提供される。

中央デュプレクサ２４８は、送信信号経路２５２と受信信号経路２５６が共通のアンテナ２６０を共有することを可能にしながら、送信信号経路２５２を受信信号経路２５６から分離する装置である。デュプレクサ２４８は、アンテナ２６０による送信のために通信信号を単一の信号ケーブル上に結合することができる。デュプレクサ２４８は、共通のアンテナ２６０に／から信号を送信または受信する前に信号をフィルタリングすることもできる。中央デュプレクサ２４８は、受信機２５６および送信機２５２によって使用される周波数帯で動作するように設計されており、送信コンバイナ２４０の出力信号２４４の出力電力を処理することができる。

中央デュプレクサ２４８の受信経路２５６は、受信信号２６４を受信スプリッタ２６８に渡す。受信スプリッタ２６８は、受信信号２６４を複数の無線信号（たとえば無線信号２７２）に分割し、この複数の無線信号はそれぞれ、対応する無線機（たとえば無線機２１２）に関連付けられる。

基地局２００など従来の基地局の設計には、いくつかの欠点がある。第１に、基地局（たとえば基地局２００）は一般に、中央デュプレクサを含めて多くのコンポーネントをホストする複雑で高価なＡＩＦを有する。追加の無線機およびＰＡが基地局に追加される場合、追加の送信コンバイナおよび受信スプリッタをＡＩＦに追加しなければならないことがよくある。

第２に、デュプレクサは、その電力容量が基地局の最大容量（無線周波数ＲＦ搬送波（たとえば無線機）の最大数に等しい）を満たすように設計された中心的な要素である。例示するために、移動網の通信事業者が３つの搬送波を扱う必要があると仮定する。通信事業者は、基地局の販売元から、必要な３つの搬送波を扱うことができる基地局を購入する。後の時点で、通信事業者は、通信事業者が基地局の容量に第４の搬送波を追加する必要があると決定することがある。次いで、通信事業者は、追加の無線機および追加のＰＡを購入して基地局をアップグレードしなければならない。しかし、中央デュプレクサは、基地局内のデュプレクサが基地局の最大搬送波数を扱うことができなければならないので置き換えられない。したがって、ＡＩＦ（したがって基地局自体）は一般に、最初に展開される中央デュプレクサに伴うコストのために、高い参入コストを有する（すなわち最初の展開の場合、容量アップグレードが行われた後の最終的な（すなわち最大容量の）構成に伴うコストがかかる）。したがって、一般的な通信事業者は、通信事業者が基地局を最初に購入するときに、基地局の最大容量を扱うことができる中央デュプレクサの代金を支払う。従来、これは、通信事業者にとって高い先行コストをもたらす。

第３に、基地局はしばしば、無線機、ＰＡおよびＡＩＦのための別個のプリント回路板ＰＣＢ（保守交換可能ユニット、すなわちＭＲＵ：ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅ ｕｎｉｔとも呼ばれる）をも有する。無線機およびＰＡのうちの１つまたは複数が単一のＰＣＢ（すなわちＭＲＵ）へ統合されるとしても、ＡＩＦは一般に、別個のＰＣＢ（すなわちＭＲＵ）と共に置かれる。したがって、基地局を保守する誰かが、基地局のそれぞれ異なるコンポーネントに関連するＰＣＢ（ＭＲＵ）のすべてを有する必要があり得る。さらに、基地局の所有者がより多くの容量または他の拡張機能を求めて基地局をアップグレードすることを決定した場合、所有者は一般に、複数のＭＲＵを置き換えなければならない。

したがって、従来の基地局に関連する欠点の多くを解決することが依然として求められている。

本発明の一態様によれば、基地局が、アンテナと、複数の集積トランシーバ・モジュールとを含む。それぞれの集積トランシーバ・モジュールは、無線機と、無線機およびアンテナに接続された、通信信号を送受信するためのデュプレクサとを含む。したがって、本発明の一態様では、集中型デュプレクサはなく、これによりデュプレクサの機能は「分散化される」。したがって、集積トランシーバ・モジュールは、基地局のコンポーネントすべてを単一のモジュール（たとえば１つのプリント回路板ＰＣＢや保守交換可能ユニットＭＲＵ）に置くことができるように基地局をモジュール化する。基地局は、基地局に追加の集積トランシーバ・モジュールを挿入することによってアップグレードすることができる。

一実施形態では、それぞれの集積トランシーバ・モジュールは、無線機およびデュプレクサと通信しており、無線機によってデュプレクサに送信された信号を増幅するように構成された電力増幅器をも含む。

それぞれの集積トランシーバ・モジュールは、共通のスターポイントを介してアンテナに接続されてもよい。一実施形態では、共通のスターポイントは、はんだ継手である。それぞれのトランシーバ・モジュールは、デュプレクサと通信しており、デュプレクサとスターポイントを接続するケーブルの周波数依存性を補償するように構成された左手系補償器を含むこともできる。

一実施形態では、無線機、電力増幅器、デュプレクサおよび／または左手系補償器は、マイクロストリップ技術を使用して製造される。デュプレクサは、無線機に関連する周波数チャネルの通信信号を送受信するように構成されてもよい。

本発明のこれらおよび他の利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照して当業者には明らかになろう。

基地局と移動交換局とを含む例示的なネットワークのブロック図である。 中央デュプレクサを使用した例示的な基地局のより詳細なブロック図である。 本発明の一実施形態による分散デュプレクサを使用した基地局ＲＦアーキテクチュアのブロック図である。

本発明の一態様によれば、中央デュプレクサは、あらゆるＲＦ搬送波（たとえばあらゆる無線機および電力増幅器ＰＡ）のための「分散」デュプレクサを有することによって「分散化される」。

図３は、４つの別個のモジュール３０４、３０８、３１２、３１４を有する基地局３００のブロック図である。それぞれのモジュール３０４、３０８、３１２は、各々の無線機３１６、３２０、３２４と、各々のＰＡ ３２８、３３２、３３６と、別個の各々の分散デュプレクサ３４０、３４４、３４８とを含む。一実施形態では、それぞれのＰＡ ３２８、３３２、３３６は、可変ＰＡである（たとえば、ＰＡ ３２８、３３２、３３６によって提供される周波数および／または電力増幅は変更され得る）。この構成は追加のコンポーネント（すなわち各モジュール３０４、３０８、３１２、３１４用のデュプレクサ）を必要とするが、この構成は実際には、これによって大きいデュプレクサのための先行支出が回避され、各モジュール３０４、３０８、３１２、３１４についてそれほど強力でない（たとえば電力処理がより小さい）デュプレクサが必要となるだけなので、図２に示された基地局よりコスト効果的である。具体的には、それぞれのデュプレクサ３４０、３４４、３４８は、（たとえば図２の出力信号２４４で示された）ＲＦ搬送波のすべてに関連する合計の電力ではなく、単一のＲＦ搬送波に関連する電力を処理する。したがって、各モジュール３０４、３０８、３１２に必要なデュプレクサ３４０、３４４、３４８は、図２の構成のＡＩＦ ２３２の中央デュプレクサ２４８ほど厳格でない電力処理要件を有する。デュプレクサ３４０、３４４、３４８の１つまたは複数における電力処理は制限されるがコストは小さくなるフィルタ構造を使用して、送信された（または受信された）信号をフィルタリングすることによって、さらなる節減が実現され得る。この説明は第４のモジュール３１４にも当てはまるが、モジュール３１４のコンポーネントが示されていないので、明示的には述べられていないことに留意されたい。

それぞれの搬送波３１６、３２０、３２４の送信経路は、２０Ｗの平均電力を提供し、それぞれが、７ｄＢ（＝５倍）の波高率（変調のピーク対平均電力比）を有すると仮定する。次いで、それぞれのデュプレクサ３４０、３４４、３４８は、２０Ｗの平均電力および１００Ｗのピーク電力（２０Ｗ×５）を処理しなければならない。それに比べて、４つのＲＦ搬送波を含む、図２に示された中央デュプレクサ２４８は、起こり得るＲＦ信号の強め合う重ね合わせのために、８０Ｗの平均電力（４×２０Ｗ）および１６００Ｗのピーク電力（１００Ｗ×４信号×４ピーク位相）を処理しなければならない。したがって、図３の分散型の手法により、１６倍（１６００／１００）のピーク電力の節減になる。１６倍の電力節減は、４倍（すなわち１６の平方根）の電圧処理の節減に等価である。

中央デュプレクサは一般に、空洞共振器技術を使用して製造される。空洞共振器は、その大きさによって電磁気（または音響）波の共振振動が可能になる中空室である。空洞共振器を製造するために、アルミナ・ブロックが一般に、ミル切削される。

しかし、一実施形態では、それぞれの分散デュプレクサ３４０、３４４、３４８はそうではなく、メタマテリアル・フィルタ技術を使用して製造される。メタマテリアル構造物は、マイクロストリップ技術を使用して構築することができる。マイクロストリップ技術は一般に、アルミナ（または他の金属）ブロックをミル切削するより遥かに安価である。さらに、マイクロストリップ技術は一般に、無線機および電力増幅器を製造するためにも使用される。したがって、分散デュプレクサ設計を使用することによって、デュプレクサ３４０、３４４、３４８の製造技術は、無線機および電力増幅器の製造技術と互換性があるものになる。さらに、（たとえばスイッチ・モード電力増幅器の使用によって）電力増幅器の効率が向上するにつれて、電力増幅器の熱放散は減少し得る。その結果、一実施形態では、無線機、ＰＡおよび分散デュプレクサは、共通のＰＣＢ上で組み合わされ、それによって、（モジュール３０４、３０８、３１２として示された）「単一基板の」完全集積トランシーバ（ｆｉＴＲＸ：ｆｕｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ）モジュールが形成される。こうしたトランシーバの構築は、ＰＣＢ上にＳＭＤ（表面実装型装置）を置く１つまたは複数のマシンによって自動化され得る。

一実施形態では、上述された電力節減によって、メタマテリアルのデュプレクサの同調（たとえば制限された電力処理能力）に関連する問題が低減され得る。具体的には、構造物を同調し再構成するために使用されるメタマテリアル構造物内のバラクタおよびＲＦスイッチのような同調素子はしばしば、デュプレクサが大きい電力ＲＦ信号を処理しなければならない場合、大きい電圧および大きい電流を処理しなければならない。同調素子は一般に、電流および電圧処理に関して制限されている。大きい電流および電圧を同軸共振器で処理することは、大きい波形率の代償を伴って行われ得る。

各モジュール３０４、３０８、３１２、３１４内で複数のＲＦ搬送波を結合することは、送信側（ＴＸ）のフィルタ結合技術、および受信側のフィルタ分割技術を用いて実施される。フィルタ結合／分割は、分散デュプレクサが全帯域（たとえばＩＭＴ２０００帯域の６０ＭＨｚ）ではなくアクティブ送受信チャネル（たとえばユニバーサル移動通信システム（ＵＭＴＳ：Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ）網での５ＭＨｚ）を通過させる場合に実施される。したがって、（無線機２０４、２０８、２１２に関連する結合された出力信号２４４によって）送信される予定であり、（アンテナ２６０によって）受信される周波数帯域全体を受信する図２の中央デュプレクサ２４８とは異なり、それぞれの分散デュプレクサは、（たとえば無線機３１６、３２０、３２４に関連する）周波数帯域全体ではなく、その無線機に関連するアクティブ送受信周波数チャネルだけを送受信する。さらに、分散デュプレクサを使用する場合、送信コンバイナあるいは受信スプリッタ（またはＡＩＦ）はもはや必要ない。

一実施形態では、フィルタがその通過帯域外で動作する場合、メタマテリアル・フィルタ構造物がほぼ無限大のインピーダンスを有するので、（各分散デュプレクサによる）フィルタ結合および／またはフィルタ分割が達成される。

基地局３００の分散デュプレクサ３４０、３４４、３４８は、共通のスターポイント３５２に接続する。スターポイント３５２は、アンテナ３５６に接続する。

一実施形態では、それぞれの分散デュプレクサ３４０、３４４、３４８は、広い周波数範囲（たとえば１オクターブ超）にわたって同調され得る。これによって、基地局３００がマルチバンド基地局となり得る。別の実施形態では、分散デュプレクサ３４０、３４４、３４８はそれぞれ、異なる周波数に同調され、スターポイント３５２に依然として接続する。

一実施形態では、同軸ケーブルは、スターポイント３５２を有するｆｉＴＲＸ内に常駐する分散デュプレクサを接続する。（同軸ケーブルが分散デュプレクサをアンテナに接続する前の）無限大のインピーダンスは、（同軸ケーブルが接続されるとき）（回線変換効果によって）非無限大インピーダンスに転換されることがあり、これは、共通のスターポイントの概念に反する。具体的には、スターポイント３５２において、あるチャネルで１つの同軸ケーブルが、公称インピーダンス（たとえば５０オーム）を提供し、次いで、他のケーブルは、無限大を提供する。これは、各チャネルにつき１つの５０オームの経路を有するのに必要である。他のケーブルも５０オームを提供した場合、電力は一方向だけに流れなければならないので、１つの送信機からの電力は、あるチャネルの別の送信機へと逆に向かい得る。したがって、１つの送信機からの電力は、他のトランシーバへと逆に向かうのではなく、アンテナへと完全に進む。したがって、従来の同軸ケーブルの通常の「右手系」振舞いを「左手系」（ＬＨ：ｌｅｆｔ ｈａｎｄｅｄ）補償器で補償することが有益である。具体的には、それぞれのデュプレクサ３４０、３４４、３４８は、各々のＬＨ補償器３６０、３６４、３６８と通信している。ＬＨ補償器３６０、３６４、３６８は、分散デュプレクサ（たとえばデュプレクサ３４８）からスターポイント３５２までケーブル（たとえばケーブル３７２）の周波数依存性を補償する。

ＬＨ補償器は、その振幅ではなく、ＲＦ信号の位相だけに影響を及ぼし得る。右手系同軸ケーブルと左手系補償器の組合せは、複数の周波数帯の透過性をもたらす。この組合せは、分散デュプレクサ３４０、３４４、３４８およびスターポイント３５２との間の無限大の帯域外インピーダンスを維持することができる。ＬＨ補償器による補償が複数の帯域を扱うので、それぞれ異なる周波数帯のｆｉＴＲＸは、共通のスターポイント３５２に接続され、マルチバンド基地局３００の生成を可能にすることができる。ＬＨ補償器は、マルチキャリア基地局ルータ（ＢＳＲ：ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｒｏｕｔｅｒ）に適用することができる。

一実施形態では、ＬＨ補償器３６０、３６４、３６８は、ｆｉＴＲＸ内の対応する分散デュプレクサ３４０、３４４、３４８の隣に置かれ、分散デュプレクサに用いられるのと同じ技術を使用して製造される。一実施形態では、スターポイント３５２は、複数のＲＦケーブルに接続された共通のはんだ継手である。別の実施形態では、ｆｉＴＲＸ ３０４、３０８、３１２は、アンテナ３５６に直接接続されてもよい。

本発明の別の利点は、保守が容易になることを含む。たとえば、個人（たとえば技術者やエンジニア）は、従来の基地局（たとえば図２に示された基地局２００）で保守を実施しなければならない場合、交換ＡＩＦ、交換ＰＡおよび交換無線カードなど、複数の保守交換可能ユニットＭＲＵと共に移動しなければならない。無線カードおよびＰＡが単一のＰＣＢ内に統合されるとしても、個人はやはり、無線カードおよびＰＡのＰＣＢ、ならびに１つまたは複数のＡＩＦと共に移動しなければならない。しかし、基地局３００の場合、基地局３００の修理またはアップグレードのために個人がそれと共に移動しなければならないＭＲＵの数は、基地局２００と比べて減少し得る（それは一般に、コスト削減となる）。具体的には、それぞれの無線機、ＰＡおよびデュプレクサが単一のＰＣＢ上に統合される場合、ＰＣＢは、必要とされる唯一のＭＲＵであり得る。

上記の詳細説明は、あらゆる点において、限定的ではなく、説明的で例示的なものであると理解すべきであり、本明細書に開示された本発明の範囲は、この詳細説明ではなく特許請求の範囲から、特許法により許された全範囲に従って解釈されるものと判断すべきである。本明細書に示され述べられた諸実施形態は、本発明の諸原理を例示するものにすぎず、本発明の範囲および精神から逸脱せずに様々な修正が当業者によって実施され得ることを理解されたい。当業者は、本発明の範囲および精神から逸脱せずに、様々な他の特徴の組合せを実施し得る。

Claims (7)

1. １つのアンテナと、
   複数の集積トランシーバ・モジュールとを備える基地局であって、それぞれの集積トランシーバ・モジュールが、
   無線機と、
   前記無線機および前記１つのアンテナに接続された、通信信号を送受信するためのデュプレクサとを備え、前記無線機と前記デュプレクサとが共通の回路板に位置している、基地局。
2. それぞれの集積トランシーバ・モジュールが、前記無線機および前記デュプレクサと通信している電力増幅器をさらに備え、前記電力増幅器が、前記無線機によって前記デュプレクサに送信された通信信号を増幅するように構成され、前記電力増幅器が、前記無線機および前記デュプレクサとともに前記回路板に位置している、請求項１に記載の基地局。
3. それぞれの集積トランシーバ・モジュールが、共通のスターポイントを介して前記アンテナに接続される、請求項１に記載の基地局。
4. それぞれの集積トランシーバ・モジュールが、前記デュプレクサと通信しており、前記デュプレクサと前記スターポイントを接続するケーブルの周波数依存性を補償するように構成された左手系補償器をさらに備える、請求項３に記載の基地局。
5. 前記無線機および前記デュプレクサが、マイクロストリップ技術を使用して製造される、請求項１に記載の基地局。
6. 前記複数の集積トランシーバ・モジュール内の各デュプレクサが、他のデュプレクサに対して異なる周波数チャネルを送受信するように構成される、請求項１に記載の基地局。
7. それぞれの集積トランシーバ・モジュールが保守交換可能ユニットである、請求項１に記載の基地局。

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