JP6223610B1 - 無線基地局装置および無線通信方法 - Google Patents

Abstract

複数の端末と空間多重による通信を行う無線基地局装置（３）であって、アクティブアレーアンテナ（１）から送信する第１の送信信号を生成し、セクターアンテナ（２−１〜２−Ｌ）から送信する送信信号であって、第１の送信信号により端末の間で発生する干渉を除去するための第２の送信信号を生成するデジタル信号処理部（１４）と、第１の送信信号を送信するアクティブアレーアンテナ（１）と、第２の送信信号を送信するセクターアンテナ（２−１〜２−Ｌ）と、を備える。

Description

本発明は、複数のアンテナを備えた無線基地局装置および無線通信方法に関する。

携帯電話の普及によって、無線通信で利用される周波数資源が逼迫している。周波数利用効率を高める技術として、ＭＩＭＯ（Multiple Input and Multiple Output）伝送方式がＬＴＥ（Long Term Evolution）などで実用化されている。近年、さらなる周波数利用効率向上のため、ＭＩＭＯ伝送方式の送受信アンテナ数を大幅に増加させたｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯが注目されている（特許文献１）。

ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯでは、数十以上のアンテナ素子を用いた２次元アクティブアレーアンテナによってビームフォーミングを行い、ユーザすなわち端末方向にビームを向けることによって異なる方向のユーザと同時に通信するマルチユーザＭＩＭＯを行う。マルチユーザＭＩＭＯでは、基地局が端末方向にビームを向けて複数の端末と同時に通信を行うことで容量を拡大できる。また、マルチユーザＭＩＭＯでは、ビーム幅を狭くして電力を集中することで伝搬距離を長くすることができる。

特開２０１０−１０９８９号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、２次元アクティブアレーアンテナによる端末間の空間分離は、送信ビームのサイドローブおよび伝送路のマルチパスなどの影響によって不完全である。そのため、端末間において干渉が発生して期待通りの伝送速度が得られない、という問題があった。空間分離性能を高くするにはアンテナの開口を広げる必要がある。２次元アクティブアレーアンテナは、アンテナ素子を狭い間隔で設置しているため、開口を広げるには多くのアンテナ素子が必要となるが、コストに見合う空間分離性能は得られない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、端末間の干渉を除去可能な無線基地局装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の端末と空間多重による通信を行う無線基地局装置である。無線基地局装置は、２次元アレーアンテナから送信する第１の送信信号を生成し、セクターアンテナから送信する送信信号であって、第１の送信信号により端末の間で発生する干渉を除去するための第２の送信信号を生成するデジタル信号処理部を備える。また、無線基地局装置は、第１の送信信号を送信する２次元アレーアンテナと、第２の送信信号を送信するセクターアンテナと、を備える。デジタル信号処理部は、端末毎に送信する信号をプリコーディングして第１の送信信号を生成し、端末毎に送信する信号をプリコーディングした信号と複数の端末に共通の制御信号とを用いて第２の送信信号を生成することを特徴とする。

本発明にかかる無線基地局装置は、端末間の干渉を除去できる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる無線通信システムの構成例を示す図 実施の形態１にかかる基地局装置の構成例を示すブロック図 実施の形態１にかかる基地局装置の高周波部の構成例を示すブロック図 実施の形態１にかかる基地局装置のデジタル信号処理部の構成例を示すブロック図 実施の形態１にかかる基地局装置のデジタル信号処理部が備えるプリコーディング部の構成例を示すブロック図 実施の形態１にかかる基地局装置がユーザ毎の送信データを送信する処理を示すフローチャート 実施の形態１にかかるデジタル信号処理部をＣＰＵおよびメモリで構成する場合の例を示す図 実施の形態１にかかるデジタル信号処理部を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図 実施の形態２にかかる基地局装置の構成例を示すブロック図 実施の形態２にかかる基地局装置の高周波部の構成例を示すブロック図 実施の形態２にかかる基地局装置のデジタル信号処理部の構成例を示すブロック図

以下に、本発明の実施の形態にかかる無線基地局装置および無線通信方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる無線通信システム９の構成例を示す図である。無線通信システム９は、無線基地局装置である基地局装置３と、有線ネットワーク４と、移動可能な無線端末である端末５−１，５−２と、を備える。基地局装置３は、アクティブアレーアンテナ１と、セクターアンテナ２−１〜２−Ｌと、を備える。基地局装置３は、端末５−１，５−２との間で空間多重による通信を行う。Ｌは１以上の整数である。なお、Ｌ＝１の場合はセクターアンテナ２−１のみでよい。

基地局装置３は、有線ネットワーク４から端末５−１に送信するデータを取得すると、アクティブアレーアンテナ１を制御して端末５−１にビーム６−１を向け、端末５−１にデータを送信する。また、基地局装置３は、アクティブアレーアンテナ１を制御して端末５−１にビーム６−１を向け、端末５−１からデータを受信すると、有線ネットワーク４にデータを送出する。基地局装置３では、端末５−１にビーム６−１を向けた場合、主ビームであるビーム６−１とともにサイドローブ７−１，７−２が発生する。

また、基地局装置３は、有線ネットワーク４から端末５−２に送信するデータを取得すると、アクティブアレーアンテナ１を制御して端末５−２にビーム６−２を向け、端末５−２にデータを送信する。また、基地局装置３は、アクティブアレーアンテナ１を制御して端末５−２にビーム６−２を向け、端末５−２からデータを受信すると、有線ネットワーク４にデータを送出する。基地局装置３では、端末５−２にビーム６−２を向けた場合、主ビームであるビーム６−２とともにサイドローブ７−３，７−４が発生する。

基地局装置３は、端末５−１，５−２に共通制御データを送信する場合、および端末５−１，５−２からランダムアクセス受信データを受信する場合、セクターアンテナ２−１〜２−Ｌを使用する。図１では、セクターアンテナ２−１の通信エリア８を示しているが、他のセクターアンテナ２−２〜２−Ｌも同様の大きさの通信エリアを有する。

以降の説明において、セクターアンテナ２−１〜２−Ｌを区別しない場合はセクターアンテナ２と称することがある。また、端末５−１，５−２を区別しない場合は端末５と称することがある。また、ビーム６−１，６−２を区別しない場合はビーム６と称することがある。また、サイドローブ７−１〜７−４を区別しない場合はサイドローブ７と称することがある。また、アクティブアレーアンテナ１およびセクターアンテナ２−１〜２−Ｌをまとめてアンテナと称することがある。

基地局装置３の構成について説明する。図２は、実施の形態１にかかる基地局装置３の構成例を示すブロック図である。基地局装置３は、アクティブアレーアンテナ１と、セクターアンテナ２−１〜２−Ｌと、複数の高周波部１１と、複数のＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換部１２と、複数のＤ／Ａ（Digital to Analog）変換部１３と、デジタル信号処理部１４と、有線データ送受信部１５と、を備える。基地局装置３は、アクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎およびセクターアンテナ２毎に、高周波部１１、Ａ／Ｄ変換部１２、およびＤ／Ａ変換部１３を備える。

アクティブアレーアンテナ１は、例えば、１／２波長毎に２次元に配置された複数のアンテナ素子１０によって構成される２次元アレーアンテナである。アクティブアレーアンテナ１は、アンテナ素子１０毎に信号の位相および振幅を変えることで、ビーム方向を変えることができる。アクティブアレーアンテナ１で生成されるビーム６のビーム幅は、例えば、水平方向半値角２０°、垂直方向半値角２０°である。

セクターアンテナ２は、アクティブアレーアンテナ１よりも水平方向に広く、または垂直方向に同等もしくは広い固定のビームパターンのアンテナである。セクターアンテナ２で生成されるビームのビーム幅は、例えば、水平方向半値角１００°、垂直方向半値角２０°である。セクターアンテナ２は、通常、垂直方向のビーム方向はセルエッジの方向に固定であるが、従来のセクターアンテナと同様、不感地帯対策または基地局装置３の増設によるセル半径の変更にあわせてチルト角を調整可能である。

高周波部１１は、基地局装置３において、アクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎、およびセクターアンテナ２毎に備えられている。図３は、実施の形態１にかかる基地局装置３の高周波部１１の構成例を示すブロック図である。高周波部１１は、周波数変換部１１０と、送信信号増幅部１１１と、送受共用部１１２と、受信信号増幅部１１３と、周波数変換部１１４と、を備える。

基地局装置３から端末５にデータを送信する場合、周波数変換部１１０がＤ／Ａ変換部１３から取得した送信アナログベースバンド信号を無線周波数に周波数変換し、送信信号増幅部１１１が所望の送信電力に増幅し、送受共用部１１２が接続するアンテナに送信信号を出力する。

基地局装置３が端末５からデータを受信する場合、受信信号増幅部１１３が送受共用部１１２を介して接続するアンテナから受信信号を取得すると受信信号を増幅し、周波数変換部１１４が受信アナログベースバンド信号の周波数に周波数変換し、Ａ／Ｄ変換部１２に出力する。

高周波部１１において、周波数変換部１１０，１１４は、周波数ミキサ、局部発信器、およびフィルタから構成される。また、送信信号増幅部１１１および受信信号増幅部１１３は、半導体アンプが使用される。また、送受共用部１１２は、ＴＤＤ（Time Division Duplex）の場合は半導体スイッチを用い、ＦＤＤ（Frequency Division Duplex）の場合は周波数共用器を用いる。

Ａ／Ｄ変換部１２は、端末５から受信した信号であって、高周波部１１から取得した受信アナログベースバンド信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、受信デジタルベースバンド信号をデジタル信号処理部１４に出力するアナログデジタル変換部である。

Ｄ／Ａ変換部１３は、端末５に送信する信号であって、デジタル信号処理部１４から取得した送信デジタルベースバンド信号をデジタル信号からアナログ信号に変換し、送信アナログベースバンド信号を高周波部１１に出力するデジタルアナログ変換部である。

デジタル信号処理部１４は、データの送信処理では、共通制御データおよびユーザ１からユーザｎまでのユーザ毎の送信データから、アクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎およびセクターアンテナ２毎の送信デジタルベースバンド信号を生成し、Ｄ／Ａ変換部１３に出力する。また、デジタル信号処理部１４は、データの受信処理では、Ａ／Ｄ変換部１２から受信デジタルベースバンド信号を取得し、ユーザ１からユーザｎまでのユーザ毎の受信データおよびランダムアクセス受信データに分離して出力する。デジタル信号処理部１４は、複数の端末５に共通の制御信号の送信および複数の端末５からのランダムアクセス信号の受信にはセクターアンテナ２を用い、端末５毎の信号の送受信にはアクティブアレーアンテナ１およびセクターアンテナ２を用いる。

有線データ送受信部１５は、有線ネットワーク４から端末５に送信するデータを取得するとデジタル信号処理部１４に出力する。また、有線データ送受信部１５は、端末５から受信したデータを有線ネットワーク４に出力する。

つづいて、基地局装置３のデジタル信号処理部１４の構成について詳細に説明する。図４は、実施の形態１にかかる基地局装置３のデジタル信号処理部１４の構成例を示すブロック図である。デジタル信号処理部１４は、複数の誤り訂正符号化部１４１と、複数の変調部１４２と、プリコーディング部１４３と、送信ビームフォーミング部１４４と、受信ビームフォーミング部１４５と、復調部１４６と、複数の誤り訂正復号部１４７と、を備える。デジタル信号処理部１４は、基地局装置３から送信する共通制御データおよびユーザ毎の送信データ毎に、誤り訂正符号化部１４１および変調部１４２を備える。また、デジタル信号処理部１４は、基地局装置３が受信するランダムアクセス受信データおよびユーザ毎の受信データ毎に、誤り訂正復号部１４７を備える。

まず、基地局装置３から端末５にデータを送信する際のデジタル信号処理部１４の処理について説明する。複数の誤り訂正符号化部１４１は、各々有線データ送受信部１５から取得した共通制御データおよびユーザ毎の送信データのうちの１つのデータに対して、ターボ符号またはＬＤＰＣ（Low Density Parity Check）符号などの誤り訂正符号化処理を行う。

複数の変調部１４２は、各々誤り訂正符号化部１４１から取得した誤り訂正符号化処理後の１つのデータに対して、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）、１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）、６４ＱＡＭなどの１次変調を行う。変調部１４２は、さらに、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）などの２次変調を行い、変調後のデータをプリコーディング部１４３に出力する。

プリコーディング部１４３は、共通制御データの送信信号を、Ｄ／Ａ変換部１３および高周波部１１経由で、セクターアンテナ２に出力する。また、プリコーディング部１４３は、ユーザ毎の送信データの送信信号を送信ビームフォーミング部１４４に出力する。ここで、基地局装置３は、ユーザ毎の送信データの送信信号については、アクティブアレーアンテナ１から送信される信号によって端末５間で発生する干渉を端末５で除去すなわち打ち消すための信号を、セクターアンテナ２から送信する。これにより、無線通信システム９では、端末５において端末５間の干渉がなくなり、基地局装置３からの高速な伝送が可能となる。ここで、プリコーディング部１４３では、基地局装置３の各アンテナと各端末５のアンテナとの間の各伝送路についての伝送路情報が必要となるが、例えば、復調部１４６で抽出された伝送路情報を用いることができる。プリコーディング部１４３は、端末５が自端末の復調器で得られた伝送路情報をデータとして基地局装置３に送信している場合、端末５から取得した伝送路情報を用いてもよい。

送信ビームフォーミング部１４４は、ユーザ毎の送信データの送信信号に、ユーザすなわち端末５毎の方向によって決まるアクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎の複素数の重み係数を乗算し、端末５毎に加算した送信信号、すなわちビームフォーミングした送信信号を出力する。

つぎに、端末５からのデータを基地局装置３で受信する際のデジタル信号処理部１４の処理について説明する。受信ビームフォーミング部１４５は、高周波部１１およびＡ／Ｄ変換部１２経由で、アクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎の受信信号を取得する。受信ビームフォーミング部１４５は、アクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎の受信信号に、ユーザすなわち端末５毎の方向によって決まるアンテナ素子１０毎の複素数の重み係数を乗算して、端末５の方向毎の受信信号を出力する。

復調部１４６は、受信ビームフォーミング部１４５からの端末５の方向毎の受信信号、およびセクターアンテナ２毎の受信信号から、ランダムアクセス受信データおよびユーザ毎の受信データを分離して復調する。復調部１４６における復調処理は、従来のＭＩＭＯレシーバと同様である。復調部１４６は、例えば、ＯＦＤＭなどの２次変調の復調を行って受信信号に含まれるパイロット信号などにより伝送路情報を取得する。復調部１４６は、ゼロフォーシングまたはＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）基準の受信行列を生成し、受信信号を受信行列に乗算することで信号を分離する。復調部１４６は、さらに、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭなどの１次変調の復調を行う。

複数の誤り訂正復号部１４７は、各々復調部１４６から取得したランダムアクセス受信データおよびユーザ毎の受信データのうちの１つのデータに対して、ターボ符号またはＬＤＰＣ符号などの復号処理を行う。

図５は、実施の形態１にかかる基地局装置３のデジタル信号処理部１４が備えるプリコーディング部１４３の構成例を示すブロック図である。プリコーディング部１４３では共通制御データについてはＬ個のセクターアンテナ２から送信するため、送信ダイバーシチ部１４３０は、送信ダイバーシチの符号化を行う。送信ダイバーシチ部１４３０における送信ダイバーシチの符号化の方式は、例えば、標準化団体である３ＧＰＰ（3rd Generation Partnership Project）などで標準化されているＳＴＢＣ（Space Time Block Coding）またはＳＦＢＣ（Space Frequency Block Coding）などのブロック符号化を用いる。

プリコーディング部１４３は、ユーザ毎の送信データについては、アクティブアレーアンテナ１およびセクターアンテナ２の両方のアンテナを用いて送信した場合に端末５間の干渉が無いようにプリコーディングする。プリコーディング部１４３では、加算器１４３１は、プリコーディングしたユーザ毎の送信データと共通制御データとを加算して、セクターアンテナ２に出力する。プリコーディングについては、プリコーディング重み計算部１４３２は、復調部１４６から取得した伝送路情報に基づいてプリコーディング行列を計算する。プリコーディング重み乗算部１４３３は、送信データとプリコーディング行列との乗算を行う。

伝送路情報は行列Ｈで表され、ｎ個の端末５のアンテナ毎の受信信号を並べた列ベクトルをＲｘ、セクターアンテナ２毎のＬ個の送信信号と送信ビームフォーミング部１４４のｍ個の入力の列ベクトルを順に並べた列ベクトルをＴｘとすると、Ｒｘ＝ＨＴｘと表される。Ｈは（Ｌ＋ｍ）行ｎ列の行列である。プリコーディング重みを行列Ｗで表すと、プリコーディング重み計算部１４３２は、例えば、以下の式（１）の計算をする。

Ｗ＝Ｈ^H（ＨＨ^H）^-1 …（１）

式（１）において、Ｈ^HはＨの共役転置である。式（１）はＨの一般化逆行列であり、以下の式（２）が成り立つことから、端末５間の干渉を除去できる。

ＨＷ＝Ｉ …（２）

式（２）において、Ｉは単位行列である。

また、アンテナが複数、すなわち冗長なアンテナ構成の場合、プリコーディングの重みは最小２乗法に基づいて計算される。最小２乗法ではロスの少ないパスにより大きな電力が配分されるため、アクティブアレーアンテナ１による端末５方向のビームにより主な信号伝送が行われ、セクターアンテナ２は干渉を除去するために使われる。プリコーディング重み乗算部１４３３は、プリコーディング重み計算部１４３２で計算された行列Ｗにユーザ毎の送信信号を並べた列ベクトルＡを乗算する。プリコーディング重み乗算部１４３３の出力ベクトルＢは以下の式（３）となる。

Ｂ＝ＷＡ …（３）

送信ビームフォーミング部１４４は、ビーム毎のｍ個の送信信号を並べた列ベクトルをＣとし、アクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子数をＮとし、アクティブアレーアンテナ１の各アンテナ素子１０からの送信信号を並べた列ベクトルをＤとすると、ｍ行Ｎ列のビームフォーミング行列Ｅを用いて以下の式（４）の乗算を行う。ｍおよびＮは１以上の整数である。

Ｄ＝ＥＣ …（４）

式（４）において、Ｅのｊ番目の行ベクトルはｊ番目のビームのビームフォーミング重みであり、ｊ番目のビームの方向ベクトルをｖ_j、ｋ番目の素子の位置ベクトルをｐ_kとすると、Ｅのｊ行ｋ列の要素Ｅ_j,kは以下の式（５）で表される。

式（５）において、ｅは自然対数の底、ｉは虚数単位、λは無線周波数での波長、｜ｖ_j｜＝１とする。ｖ_j・ｐ_kはベクトルの内積である。

受信ビームフォーミング部１４５は、送信ビームフォーミング部１４４と同じビーム方向としビームフォーミング行列にＥの共役転置行列を用いる。

復調部１４６は、セクターアンテナ２から取得したＬ個の受信信号、および受信ビームフォーミング部１４５から取得したｍ個の受信信号を並べたＬ＋ｍ個の要素をもつ列ベクトルＲを入力し、ｎユーザの受信信号およびランダムアクセス受信信号のｎ＋１の受信信号を並べた列ベクトルＳを出力する。復調部１４６は、受信信号に含まれるパイロット信号から得られる（Ｌ＋ｍ）行（ｎ＋１）列の伝送路行列ｈから、例えば、最小２乗誤差推定となる以下の式（６）で復調を行う。

Ｓ＝（ｈ^Hｈ＋σ²Ｉ）^-1ｈ^HＲ …（６）

式（６）において、σ²は受信ノイズ電力、Ｉは単位行列である。

基地局装置３から端末５にユーザ毎の送信データを送信する無線通信方法による処理について、フローチャートを用いて説明する。図６は、実施の形態１にかかる基地局装置３がユーザ毎の送信データを送信する処理を示すフローチャートである。

まず、基地局装置３において、誤り訂正符号化部１４１は、有線データ送受信部１５から取得したユーザ毎の送信データに対して誤り訂正符号化処理を行う（ステップＳ１）。

変調部１４２は、誤り訂正符号化処理後の送信データに対して変調処理、具体的には前述のように１次変調および２次変調を行う（ステップＳ２）。

プリコーディング部１４３は、変調後の送信データから、アクティブアレーアンテナ１から送信するユーザ毎の送信データの送信信号である第１の送信信号を生成し、送信ビームフォーミング部１４４に出力する（ステップＳ３）。また、プリコーディング部１４３は、変調後の送信データから、セクターアンテナ２から送信する送信信号であって、アクティブアレーアンテナ１から送信される送信信号により端末５間で発生する干渉を除去するための送信信号である第２の送信信号を生成し、セクターアンテナ２に出力する（ステップＳ４）。ステップＳ３が第１の生成ステップであり、ステップＳ４が第２の生成ステップである。なお、プリコーディング部１４３は、共通制御データを併せて送信する場合、第２の送信信号と送信ダイバーシチの符号化を行った共通制御データとを加算して、セクターアンテナ２に出力する。

送信ビームフォーミング部１４４は、第１の送信信号に対して、アクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎の複素数の重み係数を乗算し、端末５毎に加算してビームフォーミングを行う（ステップＳ５）。

そして、アクティブアレーアンテナ１は、送信ビームフォーミング部１４４によりビームフォーミングされた第１の送信信号を端末５に送信する（ステップＳ６）。セクターアンテナ２は、第２の送信信号を端末５に送信する（ステップＳ７）。ステップＳ６が第１の送信ステップであり、ステップＳ７が第２の送信ステップである。

つづいて、基地局装置３のハードウェア構成について説明する。基地局装置３において、アクティブアレーアンテナ１およびセクターアンテナ２については、従来同様の既存のものでよい。高周波部１１は、前述のように、周波数変換部１１０，１１４は周波数ミキサ、局部発信器およびフィルタ、送信信号増幅部１１１および受信信号増幅部１１３は半導体アンプ、送受共用部１１２は半導体スイッチまたは周波数共用器により実現される。また、Ａ／Ｄ変換部１２はアナログデジタル変換回路により実現される。また、Ｄ／Ａ変換部１３はデジタルアナログ変換回路により実現される。有線データ送受信部１５は、有線ネットワーク４との間でデータの送受信を行うインタフェース回路により実現される。デジタル信号処理部１４は、処理回路により実現される。すなわち、基地局装置３は、アクティブアレーアンテナ１から送信する第１の送信信号を生成し、セクターアンテナ２から送信する送信信号であって、第１の送信信号により端末５間で発生する干渉を除去するための第２の送信信号を生成するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリであってもよい。

図７は、実施の形態１にかかるデジタル信号処理部１４をＣＰＵおよびメモリで構成する場合の例を示す図である。処理回路がＣＰＵ９１およびメモリ９２で構成される場合、デジタル信号処理部１４の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ９２に格納される。処理回路では、メモリ９２に記憶されたプログラムをＣＰＵ９１が読み出して実行することにより、各機能を実現する。すなわち、基地局装置３は、デジタル信号処理部１４が処理回路により実行されるときに、アクティブアレーアンテナ１から送信する第１の送信信号を生成するステップ、セクターアンテナ２から送信する第２の送信信号を生成するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９２を備える。また、これらのプログラムは、基地局装置３の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、ＣＰＵ９１は、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などであってもよい。また、メモリ９２とは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically ＥＰＲＯＭ）などの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などが該当する。

図８は、実施の形態１にかかるデジタル信号処理部１４を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図である。処理回路が専用のハードウェアである場合、図８に示す処理回路９３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。デジタル信号処理部１４の各機能を機能別に処理回路９３で実現してもよいし、各機能をまとめて処理回路９３で実現してもよい。

なお、デジタル信号処理部１４の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。このように、処理回路は、専用のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、基地局装置３では、アクティブアレーアンテナ１およびセクターアンテナ２を備え、デジタル信号処理部１４は、端末５に送信する送信データについてプリコーディングを行って、アクティブアレーアンテナ１から送信する第１の送信信号を生成し、セクターアンテナ２から送信する送信信号であって、第１の送信信号により端末５間で発生する干渉を除去するための第２の送信信号を生成する。そして、アクティブアレーアンテナ１から第１の送信信号を送信し、セクターアンテナ２から第２の送信信号を送信する。基地局装置３は、アクティブアレーアンテナ１に加えてビーム幅の広いセクターアンテナ２を併用することで、サイドローブ７またはマルチパスによる送信時の端末５間の干渉を除去することができ、その結果、マルチユーザＭＩＭＯにおいて伝送速度を向上することができる。基地局装置３は、特に、セクターアンテナ２の間隔をアクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０の素子間隔より十分広く取ることで、アクティブアレーアンテナ１のみの場合よりも開口を広くして角度分解能が改善でき、ユーザすなわち端末５の分離性能を改善できる。

基地局装置３において、アクティブアレーアンテナ１のみで角度分解能を改善しようとすると、アンテナ素子数が大幅に増大し大幅なコスト増大となる。一方、本実施の形態のように、基地局装置３は、アクティブアレーアンテナ１およびセクターアンテナ２を併用することで、大幅なコスト削減が実現できる。また、基地局装置３は、セクターアンテナ２については、アクティブアレーアンテナ１で必要なアンテナ素子１０毎の重みの計算が不要となるから、ビームフォーミングに必要な演算を大幅に削減でき、デジタル部の消費電力を削減できる。

また、基地局装置３は、報知チャネルおよびランダムアクセスチャネルなどについてはビーム幅の広いセクターアンテナ２から送受信することで、ビームの走査を不要とし、アクティブアレーアンテナ１のみの場合と比較して通信開始までの時間を短縮することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、基地局装置がアクティブアレーアンテナ１を複数備える。実施の形態１と異なる部分について説明する。

図９は、実施の形態２にかかる基地局装置３ａの構成例を示すブロック図である。基地局装置３ａは、アクティブアレーアンテナ１−１〜１−ｍと、セクターアンテナ２−１〜２−Ｌと、複数の高周波部１１と、複数の高周波部１１ａと、複数のＡ／Ｄ変換部１２と、複数のＤ／Ａ変換部１３と、デジタル信号処理部１４ａと、有線データ送受信部１５と、複数の合成器２０と、複数の分配器２１と、を備える。以降の説明において、アクティブアレーアンテナ１−１〜１−ｍを区別しない場合はアクティブアレーアンテナ１と称することがある。アクティブアレーアンテナ１−１〜１−ｍは、実施の形態１のアクティブアレーアンテナ１と同様の構成である。

基地局装置３ａは、セクターアンテナ２毎に、高周波部１１を備える。また、基地局装置３ａは、アクティブアレーアンテナ１−１〜１−ｍのアンテナ素子１０毎に、高周波部１１ａを備える。また、基地局装置３ａは、アクティブアレーアンテナ１毎およびセクターアンテナ２毎に、Ａ／Ｄ変換部１２およびＤ／Ａ変換部１３を備える。また、基地局装置３ａは、アクティブアレーアンテナ１毎に合成器２０および分配器２１を備える。

実施の形態１では、基地局装置３は、１つのアクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎にＡ／Ｄ変換部１２およびＤ／Ａ変換部１３が必要であった。これに対して、実施の形態２では、基地局装置３ａは、アクティブアレーアンテナ１をｍ個用いて１つのアクティブアレーアンテナ１では１本のビーム６のみ送受信する。これにより、基地局装置３ａは、Ａ／Ｄ変換部１２およびＤ／Ａ変換部１３をアクティブアレーアンテナ１毎に１つとする、すなわち、Ａ／Ｄ変換部１２およびＤ／Ａ変換部１３の数を減らせることで、実施の形態１の基地局装置３よりもコストを削減することが可能となる。

合成器２０は、アクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎に接続された高周波部１１ａから出力された複数の受信アナログベースバンド信号を合成してＡ／Ｄ変換部１２に出力する。

分配器２１は、Ｄ／Ａ変換部１３から出力された送信アナログベースバンド信号を複数の送信アナログベースバンド信号に分配して、各高周波部１１ａに出力する。

また、実施の形態１では、基地局装置３は、送信ビームフォーミング部１４４および受信ビームフォーミング部１４５において、アクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎に重み係数を乗算していた。実施の形態２では、基地局装置３ａは、アクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎に重み係数を乗算する処理を高周波部１１ａで行う。

図１０は、実施の形態２にかかる基地局装置３ａの高周波部１１ａの構成例を示すブロック図である。高周波部１１ａは、高周波部１１の構成に、位相器１１５，１１６を追加したものである。実施の形態２では、高周波部１１ａの位相器１１５が、実施の形態１の送信ビームフォーミング部１４４が実施していたアクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎に重み係数を乗算する処理のうち、１つのアンテナ素子１０について重み係数を乗算する処理を行う。また、実施の形態２では、高周波部１１ａの位相器１１６が、実施の形態１の受信ビームフォーミング部１４５が実施していたアクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎に重み係数を乗算する処理のうち、１つのアンテナ素子１０について重み係数を乗算する処理を行う。

図１１は、実施の形態２にかかる基地局装置３ａのデジタル信号処理部１４ａの構成例を示すブロック図である。デジタル信号処理部１４ａは、実施の形態１のデジタル信号処理部１４から、送信ビームフォーミング部１４４および受信ビームフォーミング部１４５を削除したものである。前述のように、実施の形態１の送信ビームフォーミング部１４４および受信ビームフォーミング部１４５で実施していた処理を、実施の形態２では高周波部１１ａの位相器１１５，１１６で実施している。そのため、実施の形態２では、デジタル信号処理部１４ａにおいて送信ビームフォーミング部１４４および受信ビームフォーミング部１４５は不要となる。

実施の形態２では、基地局装置３ａは、アナログの位相器１１５，１１６でアンテナ素子１０毎の位相を調整してビームフォーミングするため、１つのアクティブアレーアンテナ１で１本のビーム６しか送信することができない。そのため、基地局装置３ａは、ｍ本のビーム６を作るためにｍ個のアクティブアレーアンテナ１を用いる。

基地局装置３ａにおいて、その他のプリコーディング部１４３などの構成および動作は、実施の形態１と同様である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、基地局装置３ａは、アクティブアレーアンテナ１を複数備える場合に、アクティブアレーアンテナ１と接続するＡ／Ｄ変換部１２およびＤ／Ａ変換部１３については、アクティブアレーアンテナ１毎に備える構成とした。これにより、アクティブアレーアンテナ１のアンテナ素子１０毎にＡ／Ｄ変換部１２およびＤ／Ａ変換部１３を備える実施の形態１と比較してコストを削減することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１−１〜１−ｍ アクティブアレーアンテナ、２−１〜２−Ｌ セクターアンテナ、３，３ａ 基地局装置、４ 有線ネットワーク、５−１，５−２ 端末、６−１，６−２ ビーム、７−１〜７−４ サイドローブ、９ 無線通信システム、１１，１１ａ 高周波部、１２ Ａ／Ｄ変換部、１３ Ｄ／Ａ変換部、１４，１４ａ デジタル信号処理部、１５ 有線データ送受信部、２０ 合成器、２１ 分配器、１１０，１１４ 周波数変換部、１１１ 送信信号増幅部、１１２ 送受共用部、１１３ 受信信号増幅部、１１５，１１６ 位相器、１４１ 誤り訂正符号化部、１４２ 変調部、１４３ プリコーディング部、１４４ 送信ビームフォーミング部、１４５ 受信ビームフォーミング部、１４６ 復調部、１４７ 誤り訂正復号部、１４３０ 送信ダイバーシチ部、１４３１ 加算器、１４３２ プリコーディング重み計算部、１４３３ プリコーディング重み乗算部。

Claims (5)

1. 複数の端末と空間多重による通信を行う無線基地局装置であって、
   ２次元アレーアンテナから送信する第１の送信信号を生成し、セクターアンテナから送信する送信信号であって、前記第１の送信信号により前記端末の間で発生する干渉を除去するための第２の送信信号を生成するデジタル信号処理部と、
   前記第１の送信信号を送信する前記２次元アレーアンテナと、
   前記第２の送信信号を送信する前記セクターアンテナと、
   を備え、
   前記デジタル信号処理部は、端末毎に送信する信号をプリコーディングして前記第１の送信信号を生成し、前記端末毎に送信する信号をプリコーディングした信号と前記複数の端末に共通の制御信号とを用いて前記第２の送信信号を生成する、
   ことを特徴とする無線基地局装置。
2. 前記デジタル信号処理部は、前記複数の端末に共通の制御信号の送信および前記複数の端末からのランダムアクセス信号の受信には前記セクターアンテナを用い、端末毎の信号の送受信には前記２次元アレーアンテナおよび前記セクターアンテナを用いる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線基地局装置。
3. 前記セクターアンテナを複数備え、
   さらに、前記２次元アレーアンテナが備える複数のアンテナ素子毎および前記セクターアンテナ毎に、
   前記端末から受信した信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、
   前記端末に送信する信号をデジタル信号からアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換部と、
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の無線基地局装置。
4. 前記セクターアンテナおよび前記２次元アレーアンテナを複数備え、
   さらに、前記セクターアンテナ毎および前記２次元アレーアンテナ毎に、
   前記端末から受信した信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、
   前記端末に送信する信号をデジタル信号からアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換部と、
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の無線基地局装置。
5. 複数の端末と空間多重による通信を行う無線基地局装置における無線通信方法であって、
   デジタル信号処理部が、２次元アレーアンテナから送信する第１の送信信号を生成する第１の生成ステップと、
   前記デジタル信号処理部が、セクターアンテナから送信する送信信号であって、前記第１の送信信号により前記端末間で発生する干渉を除去するための第２の送信信号を生成する第２の生成ステップと、
   前記２次元アレーアンテナが、前記第１の送信信号を送信する第１の送信ステップと、
   前記セクターアンテナが、前記第２の送信信号を送信する第２の送信ステップと、
   を含み、
   前記第１の生成ステップにおいて、前記デジタル信号処理部は、端末毎に送信する信号をプリコーディングして前記第１の送信信号を生成し、
   前記第２の生成ステップにおいて、前記デジタル信号処理部は、前記端末毎に送信する信号をプリコーディングした信号と前記複数の端末に共通の制御信号とを用いて前記第２の送信信号を生成する、
   ことを特徴とする無線通信方法。

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