JPH06260977A - 移動無線基地局のダイバーシチ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 送受同一搬送波周波数を用い、１つの受信系
でアンテナ切り替えダイバーシチとし、かつ送信ダイバ
ーシチとしてダイバーシチ効果を大とする。 【構成】 レベル検出器４１で中間周波信号の瞬時包絡
線レベルが検出され、その検出包絡線レベルは平均化回
路７１で平均化され、その平均化電圧をしきい値とし
て、比較器７２でレベル検出器４１からの検出レベルが
比較される。この比較器７２の出力がＲＦスイッチ制御
回路４０へ供給され、アンテナ切り替えスイッチ１５，
１６，５５，５６が制御され、受信時に選択されたアン
テナが送信用に利用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は送受を同一搬送周波数
で行い、かつ複数のアンテナを有し、移動局からの受信
信号レベルを検出して基地局からの送信アンテナを選択
し、また送受を同一搬送周波数で行なうことにより伝送
品質特性を向上させる移動無線基地局のダイバーシチ装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】移動通信では、自動車、携帯機を有する
人等の移動局が無線基地局に対して移動するためフェー
ジングに伴い受信レベルが変動し、受信レベルが低下し
た場合には、受信伝送品質が低下する。陸上移動伝搬路
を経由した受信波は、包絡線がランダムに変動するフェ
ージングを受ける。フェージング受信波の包絡線レベル
は受信機の熱雑音レベル近くにまで頻繁に落ち込むため
に伝送品質の劣化、即ちディジタル伝送では、受信誤り
率の劣化を生じる。また、位相も時間と共にランダムに
変化するため、あたかもランダムなＦＭを受けているか
のようなランダムＦＭ雑音も伝送系の劣化要因となる。
この他に受信伝送品質の劣化要因としては、同じ周波数
を用いる他ユーザ（移動局）からの干渉、マルチパスフ
ェージングに起因するディレイスプレッドがある。従っ
てこの受信誤り率の劣化を救う技術的方法が必要にな
る。この方法に、誤り訂正、ダイバーシチ、等化器等が
ある。

【０００３】前記フェージングの影響はいずれも包絡線
レベルが大きく落ち込む場合に大きくなるので包絡線レ
ベル落ち込みを軽減することが必要である。この包絡線
レベルの落ち込みを補償する技術としてダイバーシチ受
信がある。ダイバーシチは２つ以上の受信波を利用する
技術であり、このうち空間ダイバーシチは空間的に離し
た２本以上のアンテナを用いる方法であり、移動局受信
の場合はアンテナを半波長以上離せば無相関に近いフェ
ージング受信波を得ることができる。この場合一方のア
ンテナの受信信号レベルが落ち込んでいても他方のそれ
は落ち込んでいない場合が多い。包絡線レベルの大きい
方を選択受信することにより単一のフェージング波を受
信する場合に比べて品質が劣化する確率を低減すること
ができる。ダイバーシチにおける合成受信法としては、
選択、等利得、及び最大比合成の３種の合成法がある。
通常は、複数のフェージング波のうちで最大の包絡線レ
ベルのもののみを受信する選択合成が処理上最も簡単で
ある。また、合成を検波後で行なう検波後切り替えダイ
バーシチが実用されている。一般的にダイバーシチを行
なうためには２系列の受信系回路が必要になる。従来の
移動通信では送信搬送波周波数と受信搬送波周波数は干
渉が無いように離れた周波数を用いるＦＤＤ（Frequenc
y Division Duplex ）方式が用いられている。しかし送
信、受信同一の搬送波周波数を用いるＴＤＤ（Time Div
ision Duplex）方式では送受の搬送波周波数が等しいた
めに、基地局受信信号と送信信号との時間間隔が小さく
時間相関が１の場合には、両者が受けるレイリーフェー
ジングの影響は同一とみなすことができる。従って基地
局が受信するフレームにおいて２つのアンテナの信号レ
ベルを測定し、基地局から送信する場合には受信選択し
たアンテナで送信すれば等価的に移動局では２つのアン
テナで受信する場合と等しいダイバーシチ効果が得られ
る。これが送信ダイバーシチの原理である。

【０００４】図３に従来の基地局が送信ダイバーシチ、
検波後切り替えダイバーシチを行なう場合の基地局装置
のブロック構成を示す。アンテナから復調器までの２系
列の受信系を有している。即ちアンテナ１１，１２から
の各受信信号はそれぞれ、送受共用器としてのハイブリ
ッド１３，１４を通じ、更に高周波スイッチ１５，１６
を通じて、帯域通過フィルタ１７，１８へ供給され、そ
の各フィルタ出力はそれぞれ高周波増幅器１９，２１で
増幅されて混合器２２，２３へ供給され、それぞれ周波
数シンセサイザ２４からの局部信号と周波数混合され
る。その周波数混合出力はそれぞれ帯域通過フィルタ２
５，２６で第１中間周波信号が選出され、これら第１中
間周波信号は増幅器２７，２８でそれぞれ増幅されて混
合器２９，３１へ供給され、発振器３２からの固定局部
信号と周波数混合される。これら周波数混合出力からそ
れぞれ帯域通過フィルタ３３，３４で第２中間周波信号
がそれぞれ取出されてリミッタアンプ３５，３６へ供給
され、一定振幅とされて復調器３７，３８へ供給され
る。復調器３７，３８の各復調出力はスイッチ３９へ供
給される。

【０００５】一方帯域通過フィルタ３３，３４よりの各
第２中間周波信号はそれぞれレベル検出器４１，４２へ
分岐供給され、それぞれ受信レベルが検出され、これら
検出受信レベルはブランチ選択回路４３で比較され、そ
の大きい方の受信系の復調データをスイッチ３９で選択
するように制御され、またブランチ選択回路４３の出力
がＲＦスイッチ制御回路４０へ供給され、この制御回路
４０で検出受信レベルの大きい方を選択するように高周
波スイッチ１５，１６が制御される。

【０００６】その選択された復調データはバースト分離
回路、同期保護回路４４へ供給され、受信バースト信号
が検出され、かつ同期保護されると共に受信データが出
力端子４５へ出力される。また入力端子４６からの送信
データはバースト多重回路４７でバースト信号に多重化
され、そのバースト信号は変調器４８で搬送波を変調
し、その変調出力は帯域通過フィルタ４９を通じて混合
器５０へ供給され、周波数シンセサイザ２４からの局部
信号と周波数混合され、その周波数混合出力から送信周
波数信号が帯域通過フィルタ５１で選出されて送信増幅
器５２へ供給される。その増幅出力は分配器５３で２分
配されて高周波スイッチ５５，５６へ供給される。高周
波スイッチ５５，５６の各出力はそれぞれハイブリッド
１３，１４を通じてアンテナ１１，１２へ給電されるＲ
Ｆスイッチ制御回路４０により、高周波スイッチ５５，
５６が制御されて、受信時に選択したアンテナに対して
送信信号を供給する。

【０００７】このような受信時のアンテナ選択により、
ＱＰＳＫ変調の場合、レイリーフェージング下で、平均
誤り率１×１０^-2で６ｄＢ以上の利得が得られ、また送
信ダイバーシチを行なうことにより移動局では１つのア
ンテナ受信で検波後切り替えダイバーシチを行なう場合
と同等の効果を得ることができる。この場合図５に示す
ように移動局装置は送受各１系列の無線部回路で構成で
き移動局の大幅な小型化に寄与することができる。

【０００８】送信ダイバーシチの動作原理を図５に示
す。図のフレーム構成は４チャネルのＴＤＭＡ（Time D
ivision Multiple Access ）／ＴＤＤのフレーム構成例
である。前半の４スロットが基地局受信、後半の４スロ
ットが基地局送信である。図の例のようにＲ２のスロッ
トで基地局は受信レベルの大きい方のアンテナで受信す
る。次にＲ２のスロット終了時での２つのアンテナの受
信レベルを検出し、レベルの大きい方のアンテナ情報を
保持しておく。基地局送信のＴ２のスロットで選択した
アンテナから信号を送信する。この場合送信ダイバーシ
チ効果を得るためには、フレーム長がフェージング周期
に比較して十分小さいことが条件である。基地局の高周
波スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態も併せて図中に示した。
我々は先に、Electron. Lett., 1992, 28, pp.2201-220
2,“Transmitter Diversity Effectin TDMA／TDD Mobil
e Radio Transmission ”で基地局が２系列の受信部を
有する場合、この送信ダイバーシチを用いると移動局で
は検波後切り替えダイバーシチと同等の特性が得られる
ことを報告した。

【０００９】前述のように、基地局送信ダイバーシチを
行なうことにより移動局装置を簡略化できるが、基地局
では併せて検波後切り替えダイバーシチを行なうので復
調器までの無線部の回路構成が２系統必要になる。さら
に基地局に複数のアンテナを切り替えて１系列の受信機
により受信するアンテナ切り替え受信法を適用すれば基
地局装置受信系を１系列にすることができる。このアン
テナ切り替えダイバーシチはフェージング受信波の包絡
線レベルがある定められた切り替えレベル以下になった
とき他のアンテナに切り替えて受信するもので、切り替
え先のアンテナの包絡線レベルが切り替えレベル以下の
時の動作として２つの方法がある。１つは切り替えレベ
ル以上の包絡線レベルのアンテナを探し続けるＳＥ（Sw
itch-and-Examine）法で、他の方法はいったん切り替え
ると切り替えレベル以下であっても新しいアンテナでそ
のまま受信するＳＳ（Switch-and-Stay ）法である。

【００１０】従来の自動車電話のように１つの搬送波周
波数を１つのユーザが用いるＳＣＰＣ／ＦＤＭＡ（Sing
le Channel Per Carrier/Frequency Division Muliple
Access）方式では、伝送信号は連続モードであるので、
アンテナ切り替えダイバーシチを用いて高周波数帯でブ
ランチの切り替えを行なうと、切り替え雑音が復調後の
信号にのり、かえって伝送品質を劣化させるためアンテ
ナ切り替えダイバーシチは用いられることはなかった。
しかし、同じ搬送波周波数を多数のユーザが時間的に分
割して多重化し、伝送するＴＤＭＡ方式ではバースト伝
送を行なうことにより高周波数帯でのアンテナ切り替え
が可能になる。図６に基地局送信ダイバーシチ、固定し
きい値のアンテナ切り替えダイバーシチを行なう場合の
基地局装置のブロック構成を示し、図３と対応する部分
に同一符号を付けてある。高周波スイッチ１５，１６の
出力はハイブリッド５８により合成されて帯域通過フィ
ルタ１７へ供給され、またレベル検出器４１の出力は電
圧比較器５９で端子６１からのしきい値電圧と比較さ
れ、その比較出力がＲＦスイッチ制御回路４０へ供給さ
れる。図７にバースト伝送を行なう場合の、データバー
ストのフレーム構成の一例を示す。このデータバースト
はガードタイムと、クロックタイミング同期用あるいは
同期検波では搬送波再生用のプリアンブルと、フレーム
同期のための同期ワードと、情報データとより構成され
る。

【００１１】従ってこのデータバーストの先頭位置での
２本のアンテナ１１，１２による各受信信号の包絡線レ
ベルを検出し、プリアンブル内でレベルの大きいブラン
チへの切り替えを行なえば、切り替え雑音が同期ワード
や情報データ部に生じることなく、アンテナ切り替えダ
イバーシチを行なうことができる。図６に示すように基
地局受信では、電圧比較器５９でレベル検出器４１の出
力である受信レベル電圧と固定しきい値電圧とを比較す
る。一方、復調データからデータ分離回路、同期保護回
路４４においてブランチ切り替えを行なうプリアンブル
中のタイミングを検出する。このタイミングでＲＦスイ
ッチ制御回路４０で高周波スイッチ１５，１６，５５，
５６のＯＮ／ＯＦＦを行なう制御信号を生成する。基地
局送信では基地局受信の場合と同一のアンテナで送信す
る。

【００１２】図８にバースト信号に対するアンテナ切り
替えダイバーシチの動作説明図を示す。バースト毎のＳ
Ｓ法では、片方の受信信号レベルがしきい値電圧を横切
ってしきい値電圧よりも低下した場合にブランチの切り
替えが行なわれる。バースト毎のＳＥ法では、まず、片
方の受信信号レベルがしきい値電圧を横切ってしきい値
電圧よりも低下した場合にブランチの切り替えが行なわ
れる。次にバースト毎に受信アンテナを切り替え、どち
らかのアンテナでの受信信号レベルがしきい値電圧より
も大きくなったところで受信アンテナを固定する。その
後このアンテナでの受信信号レベルがしきい値電圧を横
切ってしきい値電圧よりも低下した場合には、前記の課
程を繰り返す。

【００１３】図９に固定しきい値のアンテナ切り替えダ
イバーシチの受信特性図を示す。図Ａの曲線６４に示す
ように受信電圧レベルがしきい値電圧付近の場合には、
スイッチのＯＮ／ＯＦＦ、すなわちアンテナの切り替え
が頻繁におこり、ダイバーシチ効果が得られる。しか
し、曲線６３，６５に示すように、受信電圧レベルがし
きい値電圧に比較してかなり大きい場合や小さい場合
は、アンテナの切り替えは起こらないのでダイバーシチ
効果は得られない。従って図９Ｂに示すような受信誤り
率特性になる。図９Ｂにおいて横軸は平均受信信号電力
対雑音電力比、縦軸は平均誤り率である。電圧比較器５
９の固定しきい値電圧を受信信号のレベル電圧に設定す
ると、この受信レベルに相当するＣＮＲの時に最もダイ
バーシチ効果が得られる。しかし、しきい値電圧よりも
包絡線レベルが低い／高い場合には、アンテナの切り替
えが起こらないため、受信特性は単一アンテナの場合の
受信特性に近い特性になる。また移動局受信についても
基地局送信、受信アンテナは同一であるので基地局と等
しい受信特性になる。従って、従来の基地局送信ダイバ
ーシチ、固定しきい値アンテナ切り替えダイバーシチ法
では、基地局、移動局双方の受信部回路の構成は簡単に
なるものの、しきい値付近の受信入力レベルの信号に対
してしかダイバーシチ効果が得られないという欠点があ
った。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来の基地局送信ダイ
バーシチ、固定しきい値のアンテナ切り替えダイバーシ
チ構成では基地局、移動局無線部受信系を１系列で構成
できるので回路構成が簡単であるという利点は有するも
のの、しきい値電圧付近の受信信号レベルの信号に対し
てしか、ダイバーシチ効果が得られなかった。

【００１５】この発明では、基地局が複数のアンテナを
用いて、しかも無線部受信系は１系列の構成で、基地
局、移動局受信において複数の無線部受信回路を有する
検波後切り替え選択ダイバーシチと同等の特性を有する
送信ダイバーシチ、アンテナ切り替えダイバーシチ装置
を実現することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】複数のアンテナをスイッ
チで切り替えて受信を行ない、受信時に選択したアンテ
ナで送信を行ない、受信無線部回路は１系列で実現され
る。移動無線基地局において、この発明ではベースバン
ドより前段において信号の包絡線レベルがレベル検出手
段で検出され、そのレベル検出手段の出力電圧レベルは
平均化手段で平均化され、前記レベル検出手段の出力瞬
時信号電圧と前記平均化手段の出力電圧レベルとの大小
が第１電圧比較手段で比較され、その第１電圧比較手段
の出力信号に応じて複数のアンテナの中から基地局アン
テナが選択されて受信を行い、基地局からその選択され
たアンテナで送信する。前記平均化手段の出力信号電圧
レベルと設定固定電圧との大小が第２電圧比較手段で比
較され、その第２電圧比較手段の出力信号により、前記
平均化手段の出力電圧レベルが設定固定電圧より小さい
場合には、強制的にアンテナ切り替えが中止される。

【００１７】

【作用】第１電圧比較手段での電圧比較はその基準とな
る電圧が受信レベルの平均値と対応し、受信レベルが高
くなるとその平均レベルも高くなり、アンテナの切り替
えの判定基準は常に平均受信レベル付近にあり、常に大
きなダイバーシチ効果が期待できる。

【００１８】

【実施例】図１にこの発明の実施例を示し、図６と対応
する部分に同一符号を付けてある。基地局受信の場合は
受信バーストの先頭のプリアンブル信号受信時に、この
実施例ではレベル検出器４１において中間周波段の信号
の包絡線レベルの瞬時変動が検出され、この瞬時レベル
変動電圧は平均化回路７１である時間にわたって平均化
される。電圧比較器７２でレベル検出器４１の瞬時電圧
と、平均化回路７１よりのある時点における受信信号レ
ベルの平均値に対応した平均化電圧とが比較され、瞬時
電圧が平均化電圧よりも低くなった場合にアンテナを切
り替えるスイッチのＯＮ／ＯＦＦを反転させ、受信する
アンテナ１１，１２を切り替えるべく、電圧比較器７１
の出力がＲＦスイッチ制御回路４０へ供給される。平均
化回路７１での平均化はフェージング周期よりも長い、
例えば数１０倍長い時間平均化する。

【００１９】受信信号レベルが低い場合には、アンテナ
１１，１２の何れで受信しても受信レベルが低く、アン
テナ１１，１２を切り替えてもダイバーシチの効果はな
い。従って平均化回路７１よりの平均化電圧と予め設定
した端子７３からの固定電圧とが電圧比較器７４で比較
され、平均化電圧が設定固定電圧よりも小さい場合に
は、その時の電圧比較器７４の出力によりＲＦスイッチ
制御回路４０が制御されて、電圧比較器７２の出力信号
にかかわらず、アンテナ切り替えが行われないようにさ
れる。このように電圧比較器７２のしきい値電圧が受信
信号レベルの平均値に応じて適応的に変化し、受信信号
レベルの大小に拘わらずダイバーシチ効果を得ることが
できる。基地局送信時には受信時に選択したアンテナで
送信する。従って移動局受信でも同様に受信信号レベル
に関わらずダイバーシチ効果を得ることができる。

【００２０】瞬時レベル電圧の平均化、電圧比較、スイ
ッチ制御信号生成の処理はＤＳＰ（Digital Signal Pro
cessor）で容易に実現できる。即ち図１中に点線で示す
ようにレベル検出器４１からの検出レベル電圧が、Ａ／
Ｄ変換器７５でディジタル値に変換されてＤＳＰ７６に
入力される。このＤＳＰ７６には回路４４，４７から各
バースト中におけるアンテナ切り替えタイミング、受信
信号平均レベルが低下してアンテナ切り替えを強制的に
ＯＦＦさせる信号レベルを決定する固定電圧が端子７３
からそれぞれ入力される。ＤＳＰ７６はこれら入力に応
じて瞬時レベルの平均化、電圧比較スイッチ制御信号の
生成を行う。

【００２１】図２にこの発明のアンテナ切り替えダイバ
ーシチの動作説明図を示す。図２Ａの曲線７７，７８，
７９に示すように大レベル、中レベル、小レベルの各入
力信号に応じて、電圧比較器７３のしきい値電圧がそれ
ぞれＶ_L ，Ｖ_M ，Ｖ_S と変化され、つまりしきい値電圧
は常に入力信号レベルの平均値付近にあり、受信信号の
瞬時レベルが常にしきい値電圧を上下している。このた
め図２Ｂに示すように平均ＣＮＲに対する平均誤り率特
性は受信信号レベルに関係なく検波後切り替えダイバー
シチと同等の特性を得ることができる。適応的にしきい
値電圧を変化させるアンテナ切り替えダイバーシチを用
い各フレーム毎基地局が受信したアンテナで送信するた
め、移動局受信も検波後切り替えダイバーシチを行なっ
た場合と同等の受信特性を得ることができる。この場
合、基地局はアンテナ２本、受信部回路１系列、移動局
アンテナ１本、受信部回路１系列で構成でき、基地局、
移動局装置を大幅に小形化することができる。

【００２２】

【発明の効果】以上、説明したようにこの発明によれ
ば、基地局受信では受信包絡線信号レベルを平均化して
この平均化電圧をしきい値として瞬時レベル変動電圧と
比較しているので、受信信号レベルに応じてしきい値電
圧が適応的に変化し、レベル検出器のダイナミックレン
ジ内の受信信号レベルであれば、どの受信信号レベルの
信号に対しても、複数系列の受信系を有する検波後切り
替えダイバーシチと同等のダイバーシチ利得を得ること
ができる。移動局受信に対しても同様の効果が得られ
る。しかもこの発明では、複数のアンテナに対して基地
局、移動局１系列の無線部受信系で構成できるので、装
置の大幅な小型化を図ることができる。

【００２３】また請求項２の発明では受信平均レベルが
所定値以下になると、アンテナの切り替えを行ってもダ
イバーシチ効果が得られなくなるから、その場合はアン
テナ切り替えが強制的に停止され、高周波スイッチなど
の劣化が少なくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示すブロック図。

【図２】Ａはこの発明における受信信号包絡レベルとし
きい値電圧との関係例を示す図、Ｂはこの発明の受信特
性の例を示す図である。

【図３】従来の基地局送信ダイバーシチ、検波後選択切
り替えダイバーシチを行なう基地局を示すブロック図。

【図４】基地局送信ダイバーシチを行なう場合の移動局
装置の構成を示すブロック図。

【図５】送信ダイバーシチ動作原理を示す図。

【図６】基地局送信ダイバーシチ、固定しきい値アンテ
ナ切り替えダイバーシチを行なう場合の従来の基地局装
置を示すブロック図。

【図７】データバーストのフレーム構成の一例を示す
図。

【図８】バースト信号に対するアンテナ切り替えダイバ
ーシチＳＳ法、ＳＥ法の動作説明図。

【図９】Ａは入力信号包絡レベルと、固定しきい値電圧
との関係例を示す図、Ｂは従来のダイバーシチによる受
信特性を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のアンテナを有し、移動局からの受
   信信号レベルを検出することにより基地局からの送信ア
   ンテナを選択する、送受同一の搬送波周波数で伝送を行
   なう移動無線基地局のダイバーシチ装置において、 上記移動局からの信号の受信機におけるベースバンド段
   よりも前段の信号の瞬時包絡線レベルを検出するレベル
   検出手段と、 そのレベル検出手段の検出瞬時信号電圧レベルを平均化
   する平均化手段と、 上記レベル検出手段の検出瞬時信号電圧と上記平均化手
   段の出力電圧レベルとの大小を比較する第１電圧比較手
   段と、 その第１電圧比較手段の出力信号に応じて上記複数のア
   ンテナの中から基地局受信アンテナを選択し、基地局か
   らその選択したアンテナで送信アンテナとするスイッチ
   制御回路と、 を具備する移動無線基地局のダイバーシチ装置。
2. 【請求項２】 上記平均化手段の出力電圧レベルと設定
   固定電圧との大小を比較する第２電圧比較手段と、 上記スイッチ制御回路は、上記第２電圧比較手段の出力
   信号により、上記平均化手段の出力電圧レベルが上記所
   定固定電圧より小さい場合には、強制的にアンテナ切り
   替えを中止するスイッチ制御回路であることを特徴とす
   る請求項１記載の移動無線基地局のダイバーシチ装置。