JP5672896B2 - アンテナシステム、リレー局、および無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信における通信特性の改善技術に関し、特に、無線通信に利用されるアンテナの性能向上に有効な技術に関する。

基地局と端末が通信する無線通信では、基地局から端末の距離に応じて無線信号が減衰するため、基地局より遠い位置の端末では通信特性が劣化する。また、第１の基地局と第２の基地局の中間に位置する端末が第１の基地局の送信する無線信号を受信する場合には、第２の基地局が送信する無線信号も干渉信号として受信してしまうため、この場合も通信特性が劣化する。これらの課題を解決するため、リレー局を配置することが検討されている。

リレー局は元となる基地局（以下、ドナー局と呼ぶ）が送信した信号を受信し、その信号をもとに新たに信号を生成し、その生成した信号を端末に向けて送信する。リレー局の通信相手はドナー局と端末の両方となり、両者はリレー局から見て異なる方向に位置する。

従って、通信相手に応じてリレー局のアンテナ指向性を切り替えることで、リレー局とドナー局間やリレー局と端末間の通信性能を向上させることが可能である。

この種のリレー局における指向性アンテナの通信性能を向上させる技術しては、たとえば、基地局との間で電波を送受信する基地局側アンテナを水平スタックアンテナにて構成し、該基地局側アンテナを、携帯端末との間で電波を送受信する端末側アンテナに比べて、アンテナ利得が高く、指向性の鋭いアンテナとするもの（たとえば、特許文献１参照）や、複数のアンテナ部のうちの任意の１以上のアンテナ部をそれぞれ選択し、選択したアンテナ部に対して任意のアンテナ指向性を設定するもの（たとえば特許文献２参照）などがある。

特開２００９−２３９８７４号公報 特開平１１−２６１４７４号公報

ところが、上記のようなリレー局を用いたアンテナの指向性切り替えによる通信特性の向上化技術では、次のような問題点があることが本発明者により見い出された。

すなわち、上述したように、ドナー局と端末とは、リレー局から見て異なる方向に位置するために、ドナー局と通信するアンテナと端末と通信するアンテナとをそれぞれ個別に用意する必要がある。

これにより、リレー局に設置されるアンテナ数が増加してしまうことになり、コストが大幅に上昇してしまうという問題がある。

本発明の目的は、アンテナ数を増加させることなく、低コストで無線通信特性を改善することのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明は、複数のアンテナ素子からなるアンテナ部と、複数のアンテナ素子が受信した信号を１つの信号組とし、複数のアンテナ素子が受信した信号組の経路をｍ組に分岐する信号分岐器と、該信号分岐器が分岐した信号の位相を位相変化量データに基づいてそれぞれ変化させるｍ個の移相器と、該移相器から出力されるｍ個の信号を１つの信号に合成する電力分配／合成器とを備え、該電力分配／合成器から出力される信号を、通信先に対応したアンテナ指向性パターンの形状に形成するものである。

また、本発明は、基地局が送信した信号を受信し、その信号をもとに新たに信号を生成し、生成した信号を通信先の端末に送信するリレー局であって、該リレー局は、アンテナシステムを有し、該アンテナシステムは複数のアンテナ素子からなるアンテナ部と、複数のアンテナ素子が受信した信号を１つの信号組とし、複数のアンテナ素子が受信した信号組の経路をｍ組に分岐する信号分岐器と、該信号分岐器が分岐した信号の位相を位相変化量データに基づいてそれぞれ変化させるｍ個の移相器と、該移相器から出力されるｍ個の信号を１つの信号に合成する電力分配／合成器とを備え、アンテナシステムは、電力分配／合成器から出力される信号を、通信先に対応したアンテナ指向性パターンの形状に形成するものである。

さらに、本発明は、信号の送受信元となる基地局と、該基地局が送信した信号を受信し、その信号をもとに新たに信号を生成し、生成した信号を通信先の端末に送信するリレー局とを有する無線通信システムであって、リレー局は、アンテナシステムを有し、該アンテナシステムは、複数のアンテナ素子からなるアンテナ部と、複数のアンテナ素子が受信した信号を１つの信号組とし、複数のアンテナ素子が受信した信号組の経路をｍ組に分岐する信号分岐器と、該信号分岐器が分岐した信号の位相を位相変化量データに基づいてそれぞれ変化させるｍ個の移相器と、該移相器から出力されるｍ個の信号を１つの信号に合成する電力分配／合成器とを備え、アンテナシステムは、電力分配／合成器から出力される信号を、通信先に対応したアンテナ指向性パターンの形状に形成するものである。

さらに、本願のその他の発明の概要を簡単に示す。

本発明は、複数のアンテナ素子と、信号分岐器と、複数の移相器でアンテナを構成し、該信号分岐器がアンテナ素子それぞれに接続される信号経路を複数に分岐し、これら移相器が複数信号経路を通る信号の位相を変化させることにより、通信相手に対応した指向性切り替えを実現するものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

（１）アンテナ数を増加させることなく、通信相手にそれぞれ対応した指向性の切り替えを行うことができる。

（２）上記（１）により、アンテナ数の削減や、アンテナの設置面積の低減が期待できるため、アンテナシステムの設置コストを低減することができる。

（３）また、適切な信号の指向性を形成することによって、通信速度を高速化し、通信品質を安定化することができる。

本発明の実施の形態１によるアンテナシステムの一例を示すブロック図である。 図１のアンテナシステムをセルラ無線通信に適用した一例を示す説明図である。 図１のアンテナシステムをセルラ無線通信に適用した他の例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナシステムの一例を示すブロック図である。 図５は、本発明の実施の形態３によるアンテナシステムの一例を示すブロック図である。 図５のアンテナシステムを周波数変換再送へ適用した際の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態４によるアンテナシステムの一例を示すブロック図である。 図７のアンテナシステムを周波数分割複信で動作するリレー局へ適用した一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態５によるアンテナシステムの一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態６によるアンテナシステムの一例を示すブロック図である。 図１０のアンテナシステムにおけるスイッチ切り替え制御の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１によるアンテナシステムの一例を示すブロック図、図２は、図１のアンテナシステムをセルラ無線通信に適用した一例を示す説明図、図３は、図１のアンテナシステムをセルラ無線通信に適用した他の例を示す説明図である。

本実施の形態１において、アンテナシステム１は、図１に示すように、アンテナ２、信号分岐器３、移相器４₁〜４_m、電力分配／合成器５₁〜５_mから構成されている。アンテナ部となるアンテナ２は、セルラ無線基地局用アンテナに見られるように、複数のアンテナ素子２₁〜２_nからなる。ただし、ｎ個のアンテナ素子２₁〜２_nは、同一位置に設置される必要はなく、離れた位置に設置されたアンテナ素子を組として１つのアンテナ２を構成するようにしてもよい。ｎ個の信号を組として信号組とし、アンテナ２は１つの信号組を出力する。

信号分岐器３は、アンテナ２の信号組をｍ個の信号組に分岐する。移相器４₁〜４_mは、ｎ個のアンテナ素子２₁〜２_nに対応する信号組中の信号に、それぞれ異なる位相変化を与える。電力分配／合成器５₁〜５_mは、１つの信号をｎ個の信号に分配して信号組を生成、あるいは信号組中のｎ個の信号を１つの信号に合成する。

移相器４₁〜４_mは、たとえば、電力分配／合成器、分波器、方向性結合器、またはスイッチのように信号を分岐する部品からなる。電力分配／合成器５₁〜５_mの電力分配比は等電力分配である必要はなく、任意に設計してよい。

図１のアンテナシステム１からは、ｍ個の信号線が得られるが、たとえば、信号分岐器を用いて、より少ない数の信号線にまとめてもよい。

アンテナシステム１を図１に示したように構成することで、信号分岐器３によって信号の経路を変更し、移相器４₁〜４_mが適用する位相変化量を変更することができる。移相器４₁〜４_mが信号組中のｎ個の信号にそれぞれ異なる位相変化を与えることで、アンテナ２の指向性パターンを変化させることができる。

移相器４₁〜４_mの位相変化量は、予め位相変化量データなどによって設定される。典型的な移相器は信号伝達経路の経路長によって信号の位相を変化させるため、位相変化量の設定は信号伝達経路の長さの調整となる。位相変化量データは、アンテナ２のアンテナ指向性パターンが所望のパターンとなるように、設計等によって予め計算された位相変化量である。

以上により、電力分配／合成器５₁〜５_mから出力される信号は、移相器４₁〜４_mに設定された位相変化量に対応するアンテナ指向性パターンのアンテナ２で受信した信号となり、電力分配／合成器５₁〜５_mへ入力される信号は、移相器４₁〜４_mに設定された位相変化量に対応するアンテナ指向性パターンのアンテナ２で送信される。

図２は、アンテナシステム１をセルラ無線通信に適用した一例を示す説明図である。

図２は、基地局となるドナー局６、およびリレー局７からなる無線通信システム、および端末８₁〜８₃の無線通信を表している。図２の左側には、ドナー局６が設けられており、図２の右側には、リレー局７が設けられている。

リレー局７は、元となる基地局であるドナー局６が送信した信号を受信し、その信号をもとに新たに信号を生成し、その生成した信号を、たとえば、携帯電話などの端末８₁〜８₃に向けて送信する。リレー局の通信相手はドナー局と端末の両方となり、両者はリレー局から見て異なる方向に位置する。

ドナー局６の上部には、アンテナシステム１が設置されており、リレー局７の上部には、アンテナシステム１ａが設置されている。ここで、アンテナシステム１ａは、アンテナシステム１（図１）と同じ構成からなる。

また、図２において、ドナー局６のアンテナシステム１の下方、および右側に点線で示した扇状のパターンは、アンテナシステム１における指向性パターン９，１０をそれぞれ示している。

また、リレー局７のアンテナシステム１ａの下方、および左側に点線で示した扇状のパターンは、アンテナシステム１ａにおける指向性パターン１１，１２をそれぞれ示している。

ドナー局６とリレー局７が任意の端末と通信する場合には、端末位置がアンテナシステム１，１ａの位置より低い可能性が高いため、指向性パターン１０や指向性パターン１２のように指向性パターンを下に向けるのがよい。

ドナー局６とリレー局７が互いに通信する場合には、互いのアンテナ位置が高いため、指向性パターン９，１１のように指向性パターンを水平に向けるのがよい。

以上の２つの指向性パターンを実現するように、移相器４₁〜４_mの位相変化量と電力分配／合成器５₁〜５_mの電力分配比を設計した図１のアンテナシステム１を用いることで、通信速度の高速化、および通信品質の安定化を図ることができる。

図３は、図１のアンテナシステム１をセルラ無線通信に適用した他の例を示す説明図である。

図３は、ドナー局６、リレー局７からなる無線通信システム、および端末８₁，８₂の無線通信を表したものであり、水平方向の位置関係を示している。また、リレー局７の右側、および左側に示す点線の扇状のパターンは、リレー局７のアンテナの指向性パターン１２，１３をそれぞれ表している。

図示するように、リレー局７と通信する端末８₁，８₂が、ドナー局６とは反対の方向に位置する場合には、通信相手に応じてリレー局７は、水平方向の指向性パターン１２、または指向性パターン１３を切り替えることによって、通信性能を向上させることができる。

これら指向性パターン１２，１３を実現するように、移相器４₁〜４_mの位相変化量と電力分配／合成器５₁〜５_mの電力分配比を設計したアンテナシステム１（図１）を用いることにより、通信速度の高速化、および通信品質の安定化を図ることができる。

以上ではセルラ無線通信を例にとって説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。たとえばテレビ放送のような無線通信にも適用できる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２によるアンテナシステムの一例を示すブロック図である。

本実施の形態２において、アンテナシステム１は、図４に示すように、アンテナ２、方向性結合器１４、移相器４₁，４₂、電力分配／合成器５₁，５₂、および信号処理器１５から構成されている。

アンテナ２は、前記実施の形態１の図１と同様に、複数のアンテナ素子２₁〜２_nから構成されている。アンテナ２は、無線信号を受信する。方向性結合器１４は、アンテナ２で受信した信号組を移相器４₁へ伝達する。

移相器４₁は、受信時の指向性パターンが方向１（図４の’direction-1’）に対応するように信号の位相を回転する。電力分配／合成器５₁は、移相器４₁から出力される信号組中のｎ個の出力信号を合成する。

信号処理器１５は、電力分配／合成器５₁の出力信号を処理し、さらに送信信号を生成して出力する。電力分配／合成器５₂は、信号処理器１５の出力信号をｎ個に分配して信号組を出力する。移相器４₂は、送信時の指向性パターンが方向２（図４の’direction-2’）に対応するように信号の位相を回転する。

方向性結合器１４は、移相器４₂の出力信号組をアンテナ２に伝達する。そして、アンテナ２は、方向性結合器１４より伝達された信号を送信する。

このような構成を用いれば、方向性結合器１４の動作によって信号伝達の向きの違い、つまり送受信の違いによって経路が切り替わるため、１つのアンテナ２を用いながら受信時の指向性パターンと送信時の指向性パターンを別個に設計することが可能となる。これは、たとえば、無線通信による放送への適用に適している。

ここで、前記実施の形態１で示した図３において、ドナー局６が放送電波を送信しており、リレー局７が端末８₁（，８₂）へ向けて再送すると仮定する。この場合、端末８₁（，８₂）からリレー局７への通信、該リレー局７からドナー局６への通信は発生しない。

すると、リレー局７が受信するのは、ドナー局６から送信された電波のみであり、またリレー局７が送信するのは、端末８₁（，８₂）へ向けた電波のみである。従って、図４における方向１（図４の’direction-1’）をリレー局７からドナー局６への方向とし、受信時の指向性パターンを指向性パターン１２に対応させる。

さらに、図４の方向２（図４の’direction-2’）をリレー局７から端末８₁（，８₂）への方向とし、送信時の指向性パターンを指向性パターン１３に対応させる。この構成により、アンテナシステム１は、動的な制御を必要としない、指向性切り替えアンテナを実現することができる。

信号処理器１５での処理内容には、空間伝搬によって減衰した信号の増幅や、空間伝搬によって歪んだ信号波形を復元する信号等化、リレー局７の受信信号に混入するリレー局７自身の送信信号の除去といった機能を含めることで、伝送特性を向上させることができる。

また、デジタル信号処理による誤り訂正復号によって干渉信号や雑音を除去し、信号を再構成して送信することも可能である。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３によるアンテナシステムの一例を示すブロック図、図６は、図５のアンテナシステムを周波数変換再送へ適用した際の一例を示す説明図である。

本実施の形態３において、アンテナシステム１は、図５に示すように、複数のアンテナ素子２₁〜２_nからなるアンテナ２、分波器１６、移相器４₁，４₂、電力分配／合成器５₁，５₂、および信号処理器１５から構成されている。

分波器１６は、アンテナ２の信号組から、一方のキャリア周波数ｆｒｅｑ１の信号組を抽出して移相器４₁に接続し、他方のキャリア周波数ｆｒｅｑ２の信号組を抽出して移相器４₂に接続する。

移相器４₁は、キャリア周波数ｆｒｅｑ１の信号の指向性パターンが第１の方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−１に対応するように信号の位相を回転する。

移相器４₂は、キャリア周波数ｆｒｅｑ２の信号の指向性パターンが第２の方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−２に対応するように信号の位相を回転する。

電力分配／合成器５₁，５₂は、１つの信号をｎ個の信号にそれぞれ分配して信号組を生成、あるいは信号組中のｎ個の信号を１つの信号に合成する。信号処理器１５は、電力分配／合成器５₁，５₂の出力信号を処理し、さらに送信信号を生成して出力する。

このような構成を用いれば、分波器１６の動作によって、信号のキャリア周波数の違いによって経路が切り替わるため、同一のアンテナを用いながら異なるキャリア周波数の信号の指向性パターンを別個に設計することが可能となる。これは、たとえば、無線通信における周波数変換再送への適用に適している。

図６は、図５のアンテナシステム１を周波数変換再送へ適用した例を示す説明図である。

図６の左側から右側にかけては、ドナー局６、リレー局７、リレー局７ａ、および端末８がそれぞれ配置されている。これらドナー局６、リレー局７、およびリレー局７ａによって無線通信システムが構成されている。

ドナー局６がキャリア周波数ｆｒｅｑ１で信号を送信し、リレー局７が受信する。リレー局７は、受信したキャリア周波数ｆｒｅｑ１の信号をキャリア周波数ｆｒｅｑ２の信号に変換して送信し、リレー局７ａが受信する。そして、リレー局７ａは、受信したキャリア周波数ｆｒｅｑ２の信号をキャリア周波数ｆｒｅｑ１の信号に変換して送信し、端末８が受信する。

ここで、リレー局７，７ａは、２つのキャリア周波数ｆｒｅｑ１，ｆｒｅｑ２の信号に対して相違なる指向性パターンを形成するのが望ましく、本実施の形態３に示したアンテナシステム１の構成によってそれを達成することができる。

信号処理器１５の処理内容には、キャリア周波数変換の他に、空間伝搬によって減衰した信号の増や、空間伝搬によって歪んだ信号波形を復元する信号等化を含めることで、伝送特性を向上させることができる。

また、デジタル信号処理による誤り訂正復号によって干渉信号や雑音を除去し、信号を再構成して送信することも可能である。図５では、分波器１６が、２つのキャリア周波数の信号を分離しているが、３つ以上のキャリア周波数の信号に分離する構成も同様に考えられる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４によるアンテナシステムの一例を示すブロック図、図８は、図７のアンテナシステムを周波数分割複信で動作するリレー局へ適用した一例を示す説明図である。

本実施の形態４において、アンテナシステム１は、図７に示すように、複数のアンテナ素子２₁〜２_nからなるアンテナ２、分波器１６、方向性結合器１７₁，１７₂、移相器４₁〜４₄、電力分配／合成器５₁〜５₄から構成されている。

分波器１６は、アンテナ２の信号組から、キャリア周波数ｆｒｅｑ１の信号組を抽出して方向性結合器１７₁に接続し、キャリア周波数ｆｒｅｑ２の信号組を抽出して方向性結合器１７₂に接続する。

方向性結合器１７₁は、分波器１６から伝達される信号組を移相器４₁へ伝達し、移相器４₂から伝達される信号組を分波器１６に伝達する。また、方向性結合器１７₂は、分波器１６から伝達される信号組を移相器４₃へ伝達し、移相器４₄から伝達される信号組を分波器１６に伝達する。

移相器４₁〜４₄は、指向性パターンが方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−１，ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−２，ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−３，ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−４にそれぞれ対応するように信号の位相を回転する。

電力分配／合成器５₁，５₃は、それぞれ移相器４₁，４₃の出力信号組中のｎ個の出力信号を合成して出力する。また、電力分配／合成器５₂，５₄は、それぞれ入力信号をｎ個に分配して出力して信号組を生成し、移相器４₂，４₄へ入力する。

このような構成を用いることにより、分波器１６と方向性結合器１７₁，１７₂の動作によって信号のキャリア周波数の違いと、送受信の違いによって経路が切り替わるため、同一のアンテナを用いながらキャリア周波数と送受信の違いに応じて信号の指向性パターンを別個に設計することが可能となる。

これは、たとえば、周波数分割複信の無線通信におけるリレー局への適用に適している。図８は、図７のアンテナシステム１を周波数分割複信で動作するリレー局へ適用した一例を示す説明図である。

図８において、左側から右側にかけて、ドナー局６、リレー局７、ならびに端末８がそれぞれ示されている。ドナー局６が送信した信号をリレー局７が中継し、端末８が受信する。逆に、端末８が送信した信号をリレー局７が中継し、ドナー局６が受信する。

ここで、ドナー局６から端末８へ向かう通信の向きをダウンリンク、端末８からドナー局６へ向かう通信の向きをアップリンクと呼ぶ。周波数分割複信では、ダウンリンクとアップリンクにおいて異なるキャリア周波数（それぞれｆ＿ｄｏｗｎ，ｆ＿ｕｐとする）の電波を用いる。

図８において、キャリア周波数ｆ＿ｄｏｗｎは、ダウンリンクにおけるキャリア周波数を示しており、キャリア周波数ｆ＿ｕｐは、アップリンクにおけるキャリア周波数を示している。

リレー局７がドナー局６から受信する信号のキャリア周波数は、キャリア周波数ｆ＿ｄｏｗｎであり、受信信号は移相器４₁と電力分配／合成器５₁を通過する。従って、方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−１（図７）をリレー局７からドナー局６への向きとして指向性パターンを形成するのがよい。

同様に考えれば、方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−１と方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−４（図７）とをリレー局７からドナー局６への向き、方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−２（図７）と方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−３（図７）をリレー局７から端末８への向きに設定すればよい。

それにより、本実施の形態によれば、アンテナ本数を増加させずに、周波数分割複信におけるリレー局アンテナの指向性パターンを切り替えることが可能になり、通信特性を向上させることができる。

また、図７の分波器１６は、２つのキャリア周波数ｆｒｅｑ１，ｆｒｅｑ２の信号を分離しているが、３つ以上のキャリア周波数の信号に分離する構成も同様に考えられる。さらに、上記した説明では方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−１と方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−４、および方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−２と方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−３とをそれぞれ同じ方向に定めたが、本発明は指向性パターンの方向について限定するものではない。

（実施の形態５）
図９は、本発明の実施の形態５によるアンテナシステムの一例を示すブロック図である。

本実施の形態５において、アンテナシステム１は、図９に示すように、複数のアンテナ素子２₁〜２_nからなるアンテナ２、分波器１６，１９、方向性結合器１７，１８、移相器４₁，４₂、ならびに電力分配／合成器５₁，５₂から構成されている。

分波器１６は、アンテナ２の信号組を、キャリア周波数ｆｒｅｑ１，ｆｒｅｑ２の信号組に分岐して方向性結合器１７に接続する。方向性結合器１７は、分波器１６と移相器４₁，４₂から入力される信号組を、方向に応じて相互に伝達する。

移相器４₁，４₂は、それぞれ指向性パターンが方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−１，ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−２に対応するように信号の位相を回転する。電力分配／合成器５₁，５₂は，それぞれ移相器４₁，４₂の出力信号組中のｎ個の出力信号を合成し、あるいは１つの信号をｎ個の信号に分配して信号組を生成する。

方向性結合器１８は、分波器１９と電力分配／合成器５₁，５₂から入力される信号を、方向に応じて相互に伝達する。分波器１６は、外部からの入力信号を、キャリア周波数ｆｒｅｑ１とキャリア周波数ｆｒｅｑ２との信号に分岐して方向性結合器１８に接続する。

前記実施の形態４に示したアンテナシステム１を周波数分割複信で動作するリレー局に適用する場合、前記実施の形態４の図７における方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−１と方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−４、および方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−２と方向ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−３とが同じになり、対応する移相器４₁〜４₄や電力分配／合成器５₁〜５₄で同じ特性の部品を準備する必要があった。

それに対して、図９に示すアンテナシステム１では、同じ特性となる移相器４₁，４₂や電力分配／合成器５₁，５₂の重複を回避し、部品点数を減らす効果を得ることができる。

また、方向性結合器１８と分波器１９とは、外部とのインターフェースを１つの信号線にまとめる役割を果たす。特に、リレー局の制御装置がアンテナから遠く離れた箇所に設置される場合には、信号線１本のみを設置すればよいため、設置コストを削減することができる。

（実施の形態６）
図１０は、本発明の実施の形態６によるアンテナシステムの一例を示すブロック図、図１１は、図１０のアンテナシステムにおけるスイッチ切り替え制御の一例を示すフローチャートである。

本実施の形態６において、アンテナシステム１は、図１０に示すように、複数のアンテナ素子２₁〜２_nからなるアンテナ２、スイッチ２０，２１、移相器４₁〜４_m、および電力分配／合成器５₁〜５_mから構成されている。

また、アンテナシステム１には、リレー局の制御装置２２に接続されている。この制御装置２２は、信号処理部２３、同期部２４、ならびに制御部２５によって構成される。

スイッチ２０は、制御装置２２からの制御信号に応じてアンテナ２の信号組とｍ個の移相器４₁〜４_mとの接続を切り替える。移相器４₁〜４_mは、アンテナ素子２₁〜２_nに対応する信号に、それぞれ異なる位相変化を与える。

電力分配／合成器５₁〜５_mは、１つの信号をｎ個の信号に分配して信号組を生成、あるいは信号組中のｎ個の信号を１つの信号に合成する。スイッチ２１は、制御装置２２からの制御信号に応じて電力分配／合成器５₁〜５_mへのｍ個の信号と制御装置２２への信号の接続を切り替える。

制御装置２２において、信号処理部２３は、受信信号の復元と送信信号の生成を行い、同期部２４は、制御装置２２と無線通信システムとの同期処理を行い、制御部２５でスイッチ２０，２１用の制御信号の生成と信号処理部２３の送信／受信動作の切り替え制御を行う。

このような構成を用いれば、スイッチ２０，２１の切り替えによって信号経路が切り替わるため、同一のアンテナ２を用いながら信号の指向性パターンを別個に設計することが可能となる。

たとえば、制御装置２２において切り替え制御を行うことにより、能動的に指向性パターンを切り替えることができる。時分割複信の無線通信を採用したリレー局は、分波器や方向性結合器を用いた分岐による指向性パターン切り替えが困難であるが、本実施の形態６に示したようにスイッチ２０，２１を用いた構成では、時間による指向性パターンの切り替えによって対応できる。

図１１は、図１０に示したアンテナシステム１におけるスイッチ切り替え制御の一例を示すフローチャートである。

無線通信システムでは、各無線局が同期して動作する必要があるため、基地局（ドナー局）からは同期信号、または同期チャネルと呼ばれる信号が送信される。リレー局は、この信号に基づいて、動作をドナー局に同期させる（ステップＳ１０１）。

この同期処理を行うのが、図１０の同期部２４である。同期が確立したら、スイッチ２０，２１を切り替えるタイミングを取得する必要がある。このタイミングは、リレー局の通信相手をドナー局と端末の間で切り替えるタイミングに対応する。このタイミングの決め方は、無線通信の標準仕様ごとに異なる。

たとえば、上述した同期信号の時刻を基準に固定された時間で決まる場合には、制御部２５（図１０）が、該同期時刻から時間をカウントして当該の時刻に到達する直前にスイッチ２０，２１の切り替え信号を生成すればよい。

あるいは、ドナー局より制御信号の一部として切り替えタイミングが通知される場合には、信号処理部２３（図１０）にて制御信号を復元して切り替えタイミングを取得し、その情報をもとに制御部２５がスイッチ２０，２１の切り替え制御信号を生成すればよい。

上記のような技術により、ドナー局より取得した同期信号、あるいは切り替えタイミング情報を含む制御信号を取得し、その情報から切り替えタイミングを取得する（ステップＳ１０２）。その後は、ドナー局からのデータ信号を受信して再生信号を生成し（ステップＳ１０３）、取得したタイミングに応じてスイッチ２０，２１を切り替えることで指向性を切り替え（ステップＳ１０４）、端末へ向けてデータ信号を送信する。

さらに、端末からのデータ信号を受信して再生信号を生成し（ステップＳ１０５）、取得したタイミングに応じてスイッチ２０，２１を切り替えることで指向性を切り替え（ステップＳ１０６）、ドナー局へデータ信号を送信する。以後は繰り返し動作となる。

図１０では、スイッチ２０，２１のみを用いて指向性パターンを切り替える構成を示したが、該スイッチだけでなく、分波器や方向性結合器とスイッチを組み合わせて指向性パターンを切り替える構成も、同様に構成することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、リレー局や基地局に用いられるアンテナシステムにおける無線通信特性の改善技術に適している。

１ アンテナシステム
１ａ アンテナシステム
２ アンテナ
２₁〜２_n アンテナ素子
３ 信号分岐器
４₁〜４_m 移相器
５₁〜５_m 電力分配／合成器
６ ドナー局
７ リレー局
７ａ リレー局
８ 端末
８₁〜８₃ 端末
９ 指向性パターン
１０ 指向性パターン
１１ 指向性パターン
１２ 指向性パターン
１３ 指向性パターン
１４ 方向性結合器
１５ 信号処理器
１６ 分波器
１７ 方向性結合器
１７₁，１７₂ 方向性結合器
１８ 方向性結合器
１９ 分波器
２０ スイッチ
２１ スイッチ
２２ 制御装置
２３ 信号処理部
２４ 同期部
２５ 制御部

Claims (7)

1. ｎ個のアンテナ素子からなるアンテナ部と、
   前記ｎ個のアンテナ素子が受信した信号を１つの信号組とし、複数の前記アンテナ素子が受信した前記信号組の経路をｍ組に分岐する信号分岐器と、
   前記信号分岐器が分岐したｍ組の信号組の位相を位相変化量データに基づいてそれぞれ変化させるｍ個の移相器と、
   前記移相器から出力されるｍ組の信号組から、信号組内のｎ個の信号を１つの信号に合成する電力分配／合成器とを備え、
   通信先との送信信号と受信信号が同一の移相器を経由することで、前記電力分配／合成器の入出力信号に対して、通信先に対応したアンテナ指向性パターンの形状に形成し、
   前記信号分岐器は、分波器および方向性結合器を有し、キャリア周波数の異なる受信信号と送信信号を１つの移相器を経由して送受信することを特徴とするアンテナシステム。
2. 基地局が送信した信号を受信し、その信号をもとに新たに信号を生成し、生成した前記信号を通信先の端末に送信するリレー局であって、
   前記リレー局は、アンテナシステムを有し、
   前記アンテナシステムは、
   ｎ個のアンテナ素子からなるアンテナ部と、
   前記ｎ個のアンテナ素子が受信した信号を１つの信号組とし、複数の前記アンテナ素子が受信した前記信号組の経路をｍ組に分岐する信号分岐器と、
   前記信号分岐器が分岐したｍ組の信号組の位相を位相変化量データに基づいてそれぞれ変化させるｍ個の移相器と、
   前記移相器から出力されるｍ個の信号組から、信号組内のｎ個の信号を１つの信号に合成する電力分配／合成器とを備え、
   前記アンテナシステムは、通信先との送信信号と受信信号が同一の移相器を経由することで前記電力分配／合成器の入出力信号に対して、通信先に対応したアンテナ指向性パターンの形状に形成し、
   前記信号分岐器は、分波器および方向性結合器を有し、キャリア周波数の異なる受信信号と送信信号とを１つの移相器を経由して送受信することを特徴とするリレー局。
3. 請求項２記載のリレー局において、
   前記アンテナシステムの動作を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   受信信号の復元と送信信号の生成を行う信号処理部と、
   前記アンテナシステムの同期処理を行う同期部と、
   前記信号処理部の送信動作／受信動作の切り替え制御、および前記信号分岐器の切り替え制御を行う制御部とを備え、
   通信先との送信信号と受信信号が同一の移相器を経由することで、前記電力分配／合成器の入出力信号に対して、通信先に対応したアンテナ指向性パターンの形状に形成することを特徴とするリレー局。
4. 請求項３記載のリレー局において、
   前記信号分岐器は、
   前記制御部から出力される制御信号に基づいて、前記アンテナ部の信号とｍ個の前記移相器との接続を切り替えるスイッチよりなることを特徴とするリレー局。
5. 信号の送受信元となる基地局と、前記基地局が送信した信号を受信し、その信号をもとに新たに信号を生成し、生成した前記信号を通信先の端末に送信するリレー局とを有する無線通信システムであって、
   前記リレー局は、アンテナシステムを有し、
   前記アンテナシステムは、
   ｎ個のアンテナ素子からなるアンテナ部と、
   前記ｎ個のアンテナ素子が受信した信号を１つの信号組とし、複数の前記アンテナ素子が受信した前記信号組の経路をｍ組に分岐する信号分岐器と、
   前記信号分岐器が分岐したｍ組の信号組の位相を位相変化量データに基づいてそれぞれ変化させるｍ個の移相器と、
   前記移相器から出力されるｍ組の信号組から、信号組内のｎ個の信号を１つの信号に合成する電力分配／合成器とを備え、
   前記アンテナシステムは、通信先との送信信号と受信信号が同一の移相器を経由することで、前記電力分配／合成器の入出力信号に対して通信先に対応したアンテナ指向性パターンの形状に形成し、
   前記信号分岐器は、分波器と方向性結合器とを有し、キャリア周波数の異なる受信信号と送信信号を１つの移相器を経由して送受信することを特徴とする無線通信システム。
6. 請求項５記載の無線通信システムにおいて、
   前記アンテナシステムの動作を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   受信信号の復元と送信信号の生成を行う信号処理部と、
   前記アンテナシステムの同期処理を行う同期部と、
   前記信号処理部の送信動作／受信動作の切り替え制御、および前記信号分岐器の切り替え制御を行う制御部とを備えたことを特徴とする無線通信システム。
7. 請求項６記載の無線通信システムにおいて、
   前記信号分岐器は、
   前記制御部から出力される制御信号に基づいて、前記アンテナ部の信号とｍ個の前記移相器との接続を切り替えるスイッチよりなることを特徴とする無線通信システム。

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