JPWO2004077697A1 - 無線通信システム - Google Patents
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Abstract
Description
文献1:浜口他,”Development of Millimeter−Wave Video Transmission System II”,TSMMW’01,P−17,March 2001
文献2:浜口他,”Millimeter−Wave Ad Hoc Wireless Access System”,TSMMW’02,P−1,March 2002
文献1や文献2では、ミリ波帯で低コストかつ高安定な通信を実現する「ミリ波自己ヘテロダイン伝送方式」が提案されており、主に、静止通信やノマディック通信を対象としたアプリケーションでその有効性が実証されている。
しかしながら、ミリ波帯での移動通信システムでは、さらに検討を要する課題が存在する。
例えば、ミリ波帯を移動通信に利用するには1基地局がカバーできるエリアが狭く(数mオーダー)、移動局に対して、どのような基地局の配置構成を採用するかが問題となる。
また、ミリ波帯は周波数がかなり高いため、発振周波数が安定したミリ波帯の発振器はまだまだ高価であり、低コスト、小型のミリ波帯の発振器を周波数変換部などに適用した場合には、周波数オフセットや位相雑音の問題も生じる。
さらに、ミリ波帯は波長が短いため、移動局の移動によるドップラーシフトが影響し易く、ドップラーシフトの影響をどのように排除するかが課題となる。
本発明は、受信局に対して、送信信号を適切に送信できる網構成及びアクセスポイント構成を実現した無線通信システムを提供することを目的としている。
また、本発明は、移動局が、局部発振器の精度やドップラーシフトによらずに、送信信号を安定して受信できる無線通信システムを提供することを目的としている。
複数のアクセスポイント装置によってサービスエリアを構成しているので、無線通信にミリ波帯以上の周波数を適用してもサービスエリアを広くすることができる。
ここで、各アクセスポイント装置が、与えられ配信信号に基づき、無線周波数帯の送信信号本体と、無線周波数の局部発振信号とを同時に送出する構成を有し、端末局が、受信した送信信号本体及び局部発振信号の合成信号を二乗検波する二乗検波手段を有すると、端末局で、局部発振信号の周波数オフセットや位相揺らぎを排除した復調信号を得ることができ、また、アクセスポイント装置及び端末局の相対移動に伴うドップラーシフトがあっても、復調信号におけるドップラーシフトを低減することができる。
また、カバーエリアが境界部で重なり合う複数のアクセスポイント装置に係る無線周波数を異なるようにすると、端末局が境界部に位置しても、良好な受信精度を得ることができる。
第2図は、アクセスポイント装置の送信構成を示すブロック図である。
第3図は、移動端末の受信構成の一部を示すブロック図である。
第4図は、第1の実施形態の無線通信システムの各部での周波数特性を示すスペクトラム図である。
第5図は、第2の実施形態の無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。
第6図は、第2の実施形態でのアクセスポイント装置への無線周波数の割当て方法の説明に供するスペクトラム図である。
以下、本発明による無線通信システムの第1の実施形態を図面を参照しながら説明する。
第1図は、第1の実施形態の無線通信システム1の全体構成を示すブロック図である。
第1図において、第1の実施形態の無線通信システム1は、センタ局装置2、複数のアクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…、及び、1又は複数の移動端末4(第1図では1個のみ示している)を有する。
センタ局装置2と、複数のアクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…との間は、光ファイバ網5によって接続されている。なお、図5では省略しているが、光ファイバ網5の分岐箇所には、光カプラが設けられている。
複数のアクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…は、そのカバーエリア(セル)が一部重複するように、平面展開されて適宜配置されている。また、光ファイバ5の分岐点数を抑えるように、ある分岐点から下流(センタ局装置2から遠くなる方)の1本の光ファイバ部分に複数のアクセスポイント装置が適宜縦続接続されていることもある。
1個の光ファイバ網5に接続されている全てのアクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…には、センタ局装置2から同一の送信信号が配信され、その結果、移動端末4にとっては、複数のカバーエリア内全域が一つのサービスエリアとなっている。
すなわち、センタ局装置2、複数のアクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…、及び、光ファイバ網5の組み合わせが、移動電話システムなどでの1個の基地局に対応している。
センタ局装置2は、BB(ベースバンド処理)・アクセス制御回路10や、中間周波変復調器11などを備えている。
BB・アクセス制御回路10は、情報チャネルやシグナリングチャネルのベースバンド信号に対する送信処理及び受信処理や、移動端末4とのアクセス制御処理を行うものである。BB・アクセス制御回路10は、送信時においては、ベースバンド信号を中間周波変復調器11に与え、受信時においては、中間周波変復調器11からベースバンド信号を取り込んで処理する。
中間周波変復調器11は、送信時においては、ベースバンド信号を中間周波信号に変調するものであり、受信時においては、中間周波信号をベースバンド信号に復調するものである。ここで、適用する変復調方式は任意であるが、例えば、8相PSK変調方式を適用できる。
なお、中間周波変復調器11には、変調された中間周波信号(送信信号)を電気/光変換して光ファイバ5に送出するする電気/光変換器や、光ファイバ5から到来した光信号でなる中間周波信号を光/電気変換する光/電気変換器が含まれている。
ミリ波帯では高周波数であって通信回路素子はまだまだ高額であり、そのため、センタ局装置2と、複数のアクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…との間の信号授受を、中間周波数(IF)によって行うこととしている。ここで例えば、中間周波数としては、400MHzである。なお、無線周波数(RF)によって、センタ局装置2と、複数のアクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…との間の信号授受を行うことは、第1の実施形態の変形例になっている。
また、センタ局装置2と、複数のアクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…との間の信号授受には、光ファイバ網5が介在しているが、電気的ケーブル網を利用するようにしても良い。
第2図は、アクセスポイント装置3(=3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…)の送信構成を示すブロック図であり、第3図は、移動端末4の受信構成の一部を示すブロック図である。
この第1の実施形態の場合、同一の光ファイバ網5に接続されている全てのアクセスポイント装置3(=3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…)には、ミリ波帯の同一の無線周波数f0が割り当てられており、内部構成は同様である。
アクセスポイント装置3は、第2図に示すように、送信構成として、光カプラ20、光/電気変換器21、ミキサ(乗積器)22、局部発振器23、バンドパスフィルタ24、合成器25、電力増幅器26及び送信アンテナ27を有する。
光カプラ20は、光ファイバ5を介して到来した、センタ局装置2が送出した光信号でなる中間周波信号を2分岐し、自アクセスポイント装置3に取り込む(ドロップする)と共に、下流側に送出するものである。なお、下流側に送出する段には、光増幅器を備えていても良い。また、光ファイバ網5の終端に位置するアクセスポイント装置3では、この光カプラ20が省略されていても良い。
光/電気変換器21は、光カプラ20がドロップした光信号でなる中間周波信号を、電気信号に変換してミキサ22に与えるものである。
ミキサ22は、局部発振器23と共にアップコンバータとして機能するものである。局部発振器23は、ミリ波帯の無線周波数f0を有する局部発振信号を発振するものであり、ミキサ22は、光/電気変換器21からの中間周波信号と局部発振信号とをミキシングして送信信号を無線周波数帯にアップコンバートする。
バンドパスフィルタ24は、ミキサ22から出力された送信信号の不要成分を除去するものである。
合成器25には、バンドパスフィルタ24からの出力信号(無線周波数帯の送信信号本体)が与えられるだけでなく、局部発振器23からの局部発振信号も与えられ、合成器25は、これら両信号を合成する。
例えば、第4図(A)に示す周波数特性を有する中間周波信号(中心周波数は中間周波数fIF)が当該アクセスポイント装置3に与えられた場合には、合成器25からの出力信号は、第4図(B)のスペクトラム図に示すように、局部発振信号(局部発振周波数f0)と無線周波数帯の送信信号本体(中心周波数はf0+fIF)とになる。
電力増幅器26は、合成器25からの出力信号を電力増幅し、送信アンテナ27から、当該アクセスポイント装置3のカバーエリアに向けて電波を放射させる。
移動端末4は、第3図に示すように、無線周波数帯の受信処理構成として、受信アンテナ30、前置増幅器31、バンドパスフィルタ32、二乗器33及びバンドパスフィルタ34を有する。
受信アンテナ30は、いずれかのアクセスポイント装置3が放射した無線電波を捕捉して電気信号に変換して、得られた受信信号を前置増幅器31に与え、前置増幅器31はその受信信号を前置増幅してバンドパスフィルタ32に与える。
バンドパスフィルタ32は無線回線で混入した不要な周波数成分を除去し、局部発振信号と無線周波数帯の送信信号とを含む帯域だけを取り出して二乗器33に与えるものである。
二乗器33は、バンドパスフィルタ32からの出力信号を二乗してバンドパスフィルタ34に与えるものである。
バンドパスフィルタ34は、二乗器33の出力信号から、中間周波数帯の信号(中間周波信号)のみを抽出して後段の回路に与えるものである。二乗器33の二乗処理により、二乗器33の出力信号には、バンドパスフィルタ32からの出力信号(第4図(B)参照)の各周波数成分が加算されたり減算されたりした周波数成分が含まれているが、バンドパスフィルタ34を通過させることにより、第4図(C)に示すように、中間周波信号(中心周波数は中間周波数fIF)だけを取り出すことができる。
なお、バンドパスフィルタ34からの出力信号は、中間周波信号であるので、後段回路ではベースバンド信号への復調処理などを行う。
以上のように、アクセスポイント装置3から移動端末4への下り方向の通信には、送信信号に局部発振信号を合成(重畳)して送信する、自己ヘテロダイン伝送方式が適用されている。図示は省略しているが、移動端末4からアクセスポイント装置3への上り方向の通信にも、下り方向と同様な自己ヘテロダイン伝送方式を適用する。但し、上り方向の局部発振信号の周波数は、下り方向の局部発振信号の周波数f0から異なるようにし、アップコンバートされた送信信号及び局部発振信号の帯域を完全に切り分けることが好ましい。
なお、アクセスポイント装置3や移動端末4で、送受信アンテナを適用する際には、デュプレクサを設けて送信系及び受信系を切り分ければ良い。
次に、送信信号に局部発振信号を合成(重畳)して送信する、自己ヘテロダイン伝送方式を適用した理由を説明する。
上述したように、同一の光ファイバ網5に接続されている全てのアクセスポイント装置3(=3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…)には、ミリ波帯の同一の無線周波数f0が割り当てられており、各アクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…はそれぞれ、その周波数f0を発振する局部発振器23を有する。
しかしながら、ミリ波帯の局部発振信号を安定に発振できる局部発振器23の技術はまだ十分には確立されておらず、各アクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…の局部発振器23間に周波数オフセットが生じていることもあり得、また、使用環境(例えば温度)の変化などによる位相雑音も局部発振器23間で異なるようになることもあり得る。
ここで、周波数オフセットや位相雑音などの誤差成分をθ(t)とし、局部発振周波数に係る角速度をωLすると、局部発振信号L(t)は(1)式で表すことができる。一方、中間周波信号を角速度でωIFとすると、アップコンバートされた送信信号本体S(t)は(2)式で表すことができる。
L(t)=sin{ωLt+θ(t)} …(1)
S(t)=sin{(ωL+ωIF)t+θ(t)} …(2)
これら(1)式及び(2)式の和S(t)+L(t)がアクセスポイント装置3から移動端末4に送信され、二乗器33によって二乗処理される。この二乗処理によって、L(t)及びS(t)が乗算された(3)式に示すような項が生じる。
L(t)×S(t)
=sin{ωLt+θ(t)}×sin{(ωL+ωIF)t+θ(t)}
…(3)
(3)式に対して、三角関数の積を和と差に変換する公式を適用することにより、その差の成分は、中間周波信号の成分(角速度ωIF)だけを含み、周波数オフセットや位相雑音などの誤差成分θ(t)が相殺されていることが分かる。中間周波信号の成分をバンドパスフィルタ34で取り出すことにより、本来の中間周波信号sin(ωIF×t)を取り出すことができる。
このことは、アクセスポイント装置3(k−1)、3−k、3−(k+1)、…によって、周波数オフセットや位相雑音が異なっていても、移動端末4では、その影響を受けずに中間周波sinが復調できていることを表している。
また、最大ドップラー周波数は一般にはその波長をλ、移動速度をνとすると、ν/λで表される。ここで、送信信号本体S(t)に対する最大ドップラー周波数fDR、局部発振信号L(t)に対する最大ドップラー周波数fDLで表すと、バンドパスフィルタ34を介した後の最大ドップラー周波数は、(4)式で表される。λR、λL、λIFはそれぞれ、送信信号本体、局部発振信号、中間周波信号の波長を表している。
fDR−fDL=ν×{(1/λR)−(1/λL)}
=ν/λIF …(4)
この(4)式から、自己ヘテロダイン伝送方式を適用することにより、中間周波信号に復調された後の最大ドップラー周波数は、無線周波数帯でのドップラーシフトではなく、中間周波数帯でのドップラーシフトになっており、ドップラーシフトが軽減されていることが分かる。
例えば、最大相対速度が磁束100kmのときに60GHz帯の無線周波数が受ける最大ドップラー周波数は約5.6KHzとなるが、この方式で、400MHzの中間周波数を使用すれば、送信信号本体が受ける最大ドップラー周波数を高々37Hzに低減できる。
第1の実施形態によれば、ミリ波帯による無線通信でも、複数のアクセスポイント装置のカバーエリア全域をサービスエリアとして通信でき、ミリ波帯による無線通信のために個々のアクセスポイント装置のカバーエリアが小さくても、サービスエリアを拡張することができる。
また、第1の実施形態によれば、個々のアクセスポイント装置における局部発振器間に周波数オフセットや位相雑音の相違があっても、自己ヘテロダイン伝送方式を適用しているため、移動端末で復調された中間周波信号からその影響を排除することができる。同様に、個々の移動端末における局部発振器間に周波数オフセットや位相雑音の相違があっても、自己ヘテロダイン伝送方式を適用しているため、アクセスポイント装置で復調された中間周波信号からその影響を排除することができる。
さらに、第1の実施形態によれば、自己ヘテロダイン伝送方式を適用しているので、復調信号における最大ドップラー周波数を、無線周波数帯で受けるものより低減することができる。
(第2の実施形態)
次に、本発明による無線通信システムの第2の実施形態を図面を参照しながら説明する。
第5図は、第2の実施形態の無線通信システム1Aの全体構成を示すブロック図である。
第2の実施形態の無線通信システム1Aは、概ね第1の実施形態の無線通信システム1と同様であるが、各アクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…に割り当てられている送信系の無線周波数が第1の実施形態のものと異なっている。
すなわち、いずれかのアクセスポイント装置3から移動端末4への無線周波数(局部発振周波数)として、アクセスポイント装置のカバーエリアの境界部で移動端末4が同時に受信するアクセスポイント装置の数に等しい周波数を用意し、それを、境界部の移動端末4には同じ周波数の無線電波が届かないように、各アクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…に割り当てる。第5図は、アクセスポイント装置3の2次元配置を考え、ある方向及びその直交方向に、周波数f1及びf2が交互になるように、各アクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…に無線周波数を割り当てた例を示している。
アクセスポイント装置3の内部構成は、第1の実施形態と同様であるが(第2図参照)、局部発振器23が割り当てられている局部発振周波数の局部発振信号を発振する点が、第1の実施形態と異なっている。
移動端末4の構成は、第1の実施形態と同様である。
なお、上り方向の無線周波数を下り方向の無線周波数と変える点は、第1の実施形態と同様であり、上り方向の無線周波数は1種類で良い。
ここで、各アクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…に同一の無線周波数を割り当てないのは、カバーエリアの境界部での受信精度を向上させるためである。
しかしながら、複数種類の無線周波数を割り当てても、その割り当てによっては、ビート成分が復調された中間周波信号の帯域に入り込むことがある。ここで、考慮されるビート成分は、送信信号本体に局部発振信号を重畳した無線信号に対する、自己ヘテロダイン方式を採用しているため、異なるアクセスポイント装置が使用する局部発振信号間のビート成分、異なるアクセスポイント装置が使用する局部発振信号と送信信号本体との間のビート成分、異なるアクセスポイント装置からの送信信号本体間のビート成分である。
第6図(A)及び(B)は、このようなビート成分を説明するための図面である。
無線周波数(局部発振周波数)として周波数f1が割り当てられたアクセスポイント装置(例えば、第5図のアクセスポイント装置3−(k+1))は、その周波数を有する局部発振信号と、周波数f1+fIFを中心とした変調帯域幅Bを有する送信信号本体を送信する(但し、fIFは中間周波数)。なお、変調帯域幅Bは、当然に、中間周波信号の変調帯域幅に等しい。
一方、無線周波数(局部発振周波数)として、周波数f2(但しf2>f1)が割り当てられたアクセスポイント装置(例えば、第5図のアクセスポイント装置3−k)は、その周波数を有する局部発振信号と、周波数f2+fIFを中心とした変調帯域幅Bを有する送信信号本体を送信する。
このような2個のアクセスポイント装置(3−(k+1)及び3−k)からの無線電波を移動端末4が捕捉して二乗処理すると、二乗器33からは第6図(B)に示すような出力信号が得られる。中間周波信号同士は、同じ帯域に表れるが、ビート成分も種々の帯域に表れる。ここで、ビート成分の帯域が、第6図(B)に示すように、中間周波信号の帯域に重ならないのであれば、バンドパスフィルタ34によって、中間周波信号だけを取り出すことができる。一方、ビート成分の帯域が中間周波信号の帯域に重なると、バンドパスフィルタ34によって、中間周波信号だけを取り出すことができない。
上述した各種のビート成分も、その中心周波数及び帯域幅を計算することができ、その計算結果から、ビート成分の帯域が、第6図(B)に示すように、中間周波信号の帯域に重ならない条件を算出すると、次の(5)式が得られた。
B<f2−f1<fIF−(3B/2) …(5)
この(5)式を満たすように、異なる無線周波数(局部発振周波数)を、各アクセスポイント装置3−(k−1)、3−k、3−(k+1)、…に割り当てれば境界部での受信性能を向上させることができる。
なお、3種類以上の無線周波数(局部発振周波数)を用いる場合であっても、境界部で問題となる、それぞれ2種類の無線周波数の組み合わせ毎に(5)式を満足させるように、無線周波数を各アクセスポイント装置に割り当てれて良い。
第2の実施形態によっても、第1の実施形態と同様な効果を奏することができる。すなわち、第1の実施形態の効果は、無線周波数の値に影響されない効果であり、第2の実施形態でもその効果を発揮することができる。
これに加え、第2の実施形態によれば、各アクセスポイント装置に、カバーエリアの境界部での移動端末との通信を考慮して、無線周波数を割り当てたので、カバーエリアの境界部での通信も良好なものとすることができる。
なお、センタ局装置2と各アクセスポイント装置3との間の光ファイバの距離の相違に基づく伝搬遅延の影響による、カバーエリアの境界部での通信品質低下を補償するように、誤り訂正能力が高い変復調方式であるCOFDM(符号化直交周波数分割多重)方式を適用すると、より受信精度を高めることができる。
(他の実施形態)
上記各実施形態では、局部発振信号と送信信号本体とを重畳して無線通信するものを示したが、局部発振信号と送信信号本体とを別個の偏波面を有する電波を介して通信するようにしても良い。
また、上記各実施形態では、無線周波数へのアップコンバートを、アクセスポイント装置3が行うものを示したが、センタ局装置2が無線周波数へのアップコンバートも行い、アクセスポイント装置3が単に無線送信だけを行うようにしても良い。
上記各実施形態の説明では、複数の移動端末がサービスエリアに存在する場合の多元接続方法について言及しなかったが、多元接続方法は任意であり、CDMA(コード分割多元接続)方式やTDMA(時分割多元接続)方式などを適用することができる。
また、上記各実施形態では、端末局が移動端末である場合を説明したが、固定端末であっても本発明を適用することができる。
さらに、上記各実施形態では、双方向通信の場合を説明したが、端末局への一方向通信のシステムに対しても適用することができる。
さらにまた、上記各実施形態では、無線周波数帯がミリ波帯である場合を示したが、ミリ波帯より高い周波数帯に対しても本発明を適用することができる。
Claims (7)
- 端末局と、
上記端末局へのベースバンド信号を形成するセンタ局装置と、
上記センタ局装置からの配信信号がケーブル網を介して与えられるものであって、互いのカバーエリアが一部重複して全てのカバーエリアでサービスエリアを構成する、上記端末局へのミリ波帯以上の周波数を有する無線電波を放射する複数のアクセスポイント装置と
を備えたことを特徴とする無線通信システム。 - 上記各アクセスポイント装置は、与えられた配信信号に基づき、無線周波数帯の送信信号本体と、無線周波数の局部発振信号とを同時に送出する構成を有し、
上記端末局が、受信した送信信号本体及び局部発振信号の合成信号を二乗検波する二乗検波手段を有する
ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の無線通信システム。 - 上記センタ局装置は、上記各アクセスポイント装置に対し、ベースバンド信号を無線周波数帯にアップコンバートした送信信号本体と局部発振信号とを配信信号として送信し、
上記各アクセスポイント装置は、その配信信号を無線送信する
ことを特徴とする請求の範囲第2項に記載の無線通信システム。 - 上記センタ局装置は、上記各アクセスポイント装置に対し、ベースバンド信号を中間周波数帯にアップコンバートした中間周波信号を配信信号として送信し、
上記各アクセスポイント装置は、その配信信号を局部発振信号を用いて送信信号本体にアップコンバートし、送信信号本体と局部発振信号とを無線送信する
ことを特徴とする請求の範囲第2項に記載の無線通信システム。 - カバーエリアの境界部に上記端末局が位置する際に、上記端末局が同時受信を行う複数の上記アクセスポイント装置には、異なる無線周波数を割り当てていることを特徴とする請求の範囲第4項に記載の無線通信システム。
- 上記端末局が同時受信を行う2個の上記アクセスポイント装置の無線周波数f1及びf2は、(A)式でなる条件式を満たしていることを特徴とする請求の範囲第5項に記載の無線通信システム。
B<f2−f1<fIF−(3B/2) …(A)
但し、fIFは中間周波信号の中心周波数、Bは中間周波信号の変調帯域幅である。 - 上記端末局が移動端末であることを特徴とする請求の範囲第1項〜第5項のいずれかに記載の無線通信システム。
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