JP2008147792A - 無線通信装置、制御装置および無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】マルチパスの影響により発生する定常的な受信レベルの低下を防ぎ、受信不能となる端末を低減することができる無線通信装置を得ること。
【解決手段】指向性パターンが変更可能なアンテナ３−１〜３−Ｍを備え、指向性パターンを所定の周期で変化させながら端末と無線通信を行う無線通信装置において、前記指向性パターンの変化範囲を所定数で分割したそれぞれの範囲に個別に対応するアンテナ重みを格納するための送信アンテナ指向性パターンテーブル５と、送信アンテナ指向性パターンテーブル５に格納された前記アンテナ重みを所定の時間間隔で読み出し送出するアンテナ指向性制御部６と、送信アンテナ指向性パターンテーブル５から送出されたアンテナ重みに基づき前記アンテナ３−１〜３−Ｍの指向性パターンを生成するアンテナ指向性切り換え部４と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線通信装置に関するものであり、特にアレーアンテナを用いた指向性を制御可能な無線通信装置、制御装置および無線通信システムに関するものである。

従来のビームフォーミング技術の一例として、アダプティブアレーアンテナについて説明する。大容量，高速通信を実現するための技術としてアダプティブアレーアンテナが注目されている。アダプティブアレーアンテナは、ＰＨＳ（Personal Handy-phone System）で採用されているほか、最近では、“ｉＢｕｒｓｔ”の無線通信システムのコア技術として採用されている実績がある。

アダプティブアレーアンテナは、複数の各々のアンテナ素子に対して重みをつけることにより、ビームの指向性を適応的に変化させることができる。アダプティブアレーアンテナでは、受信においては、所望波方向にメインビームを向けることによって、所望波を十分に取り込みつつ、指向性が落ち込むポイントであるヌル点を干渉波に向けることによって不要な信号を除去する。送信においては、電波の受信を所望するユーザの方向にメインビームを向け十分なアレー利得を確保しつつ、電波の受信を所望しない他ユーザに対してはヌルを向けることで、他ユーザへの干渉を防ぐことができる。

また、ＴＤＤ（Time Division Duplex）システムのように送受信で同一の周波数を使用している場合は、原理的には送受の伝送路状態が同じとみなすことができるので受信時の重みをそのまま送信時の重みに適用することができる。このように、アダプティブアレーアンテナは、所望波にビームを向け、干渉波にヌルを向けることで信号対干渉雑音比ＳＩＮＲ（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio）を改善することができる。たとえば、下記非特許文献１では、出力においてＳＩＮＲが最大となるように、各々のアンテナ素子に対して重みを決定する方法が開示されている。

非特許文献１に記載の最適重みの算出方法について説明する。まず、Ｎ素子のアダプティブアレーを仮定し、ｉ番目のアンテナ素子で受信されるｍ番目の信号をｘ_i（ｍ）とし、信号に対するｉ番目のアンテナ素子に関する重みをｗ_iとするとき、信号ベクトルＸ（ｍ）と重みベクトルＷ（ｍ）を、以下の式（１）、（２）のように表記する。

Ｘ（ｍ）＝［ｘ₁（ｍ），ｘ₂（ｍ），・・・，ｘ_N（ｍ）］^T ・・・（１）

Ｗ＝［ｗ₁，ｗ₂，・・・，ｗ_N］^T ・・・（２）

このとき、アダプティブアレーの出力ｙ(ｍ)は、以下の式（３）のようになる。

ｙ（ｍ）＝Ｗ^HＸ（ｍ） ・・・（３）

Ｗ^Hは、Ｗの転置共役行列を表す。ここで、受信信号ベクトルＸ（ｍ）には、所望信号，干渉信号，雑音信号が含まれており、それぞれに対応するベクトルを、Ｓ（ｍ），ＩＮ（ｍ）、ＮＳ(ｍ)とすると、式（４）のように各成分に分離して記述することができる。

Ｘ（ｍ）＝Ｓ（ｍ）＋ＩＮ（ｍ）＋ＮＳ（ｍ） ・・・（４）

所望信号ｓ（ｍ）が各アンテナ素子で受信された際の振幅，位相情報を要素にしたベクトルｈ_Sを用いれば、所望信号ベクトルＳ（ｍ）は、式（５）のように表すことができる。

Ｓ（ｍ）＝ｈ_Sｓ（ｍ） ・・・（５）

同様に、干渉信号ｉｎ_k（ｍ）をｋ番目の干渉波の干渉信号，ｈ_in,kをｋ番目の干渉信号ｉｎ_k（ｍ）が各アンテナ素子で受信された際の振幅，位相情報を要素にしたベクトル，Ｋを干渉波数とするとき、干渉波ベクトルＩＮ（ｍ）は、式（６）のように表すことができる。

ＩＮ（ｍ）＝Σ（ｋ＝１，Ｋ）（ｈ_in,kｉｎ_k(ｍ）) ・・・（６）

一般に、所望信号と干渉信号は相関がなく、Ｅ［］を、アンサンブル平均とするとき、式（７）が成立する。

Ｅ［ｓ^*（ｍ）ｉｎ_k（ｍ）］＝０ ・・・（７）

また、雑音ベクトルＮＳ（ｍ）は、各アンテナ素子で発生した雑音を要素にしたベクトルであり、以下の式（８）で表すことができる。この雑音は所望信号や干渉信号、また他の素子の雑音とも相関がない。

ＮＳ（ｍ）＝［ｎｓ₁（ｍ），ｎｓ₂（ｍ），・・・，ｎｓ_N（ｍ）］^T ・・・（８）

アレーの出力においてＳＩＮＲ（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio）が最大になるように、最適重みは、アレー出力ｙ（ｍ）をできるだけ参照信号ｒ（ｍ）に近づけるように決定する。まず、参照信号との類似度を評価する関数Ｊとして、式（９）に示すアレー出力と参照信号の平均自乗誤差（Mean Square Error）を用いる。平均自乗誤差を最小にする手法はＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）アルゴリズムと呼ばれている。

Ｊ＝Ｅ［｜ｒ(ｍ)−ｙ（ｍ）｜²］ ・・・（９）

式（９）は、式（１）を用いて、以下の式（１０）のように書き換えることができる。

Ｊ＝Ｅ［｜ｒ(ｍ)−Ｗ^HＸ（ｍ）｜²］
＝Ｅ［｜ｒ(ｍ)｜²］ｒ_xd−Ｗ^Hｒ_xd ^*−Ｗ^Tｒ_xd−Ｗ^HＲ_xxＷ ・・・（１０）

ここで、Ｒ_xxは入力信号の相関行列である。また、ｒ_xdは入力信号と参照信号の相関ベクトルであり、次の式（１１）で表すことができる。

ｒ_xd＝Ｅ［Ｘ（ｍ）^*ｒ（ｍ）］ ・・・（１１）

式（９）の評価関数Ｊを最小にする最適なアンテナ重みは、Ｗに関する傾きが０になる点を求めればよい。したがって、式（９）のＷによる偏微分の結果を０とするＷを求めればよく、最適なアンテナ重みＷ_OPTは、以下の式（１２）で表すことができる。
Ｗ_OPT＝Ｒ_xx ^-1ｒ_xd ・・・（１２）

このようにして最適なアンテナ重みを求めることにより、特定の方向（所望信号方向）の通信に対して最適化を行うことができる。

また、アンテナの指向性を変化させる技術として、たとえば、下記特許文献１において、指向性無線通信ゾーンを形成して、アンテナの指向性を制御することにより指向性無線通信ゾーンの位置を順次移動させて、サービスエリア全体をカバーする無線通信システムが開示されている。
特開平１１−１７８０５１号公報 "アダプティブアレーと移動通信［II］"，電子情報通信学会誌，Vol.82 No.1 pp.55-61 １９９９年１月

しかしながら、上記非特許文献１の技術によれば、特定の方向の通信は最適化できるが、ユーザ端末が複数の方向に存在する場合、マルチパスの影響によって定常的に受信レベルの落ち込みが発生すると、その位置に存在する固定端末は通信を確立することが困難であるという問題があった。

また、上記特許文献１の技術においては、サービスエリア全体をカバーするように指向性無線通信ゾーンを変化させているが、マルチパスの影響によって発生する定常的な受信レベルの落ち込みの対策については触れられていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、サービスエリア内において、マルチパスの影響により発生する定常的な受信レベルの低下を防ぎ、受信不能となる端末を低減することができる無線通信装置、制御装置および無線通信システム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、指向性パターンが変更可能なアンテナを備え、前記指向性パターンを所定の周期で変化させながら端末と無線通信を行う無線通信装置において、前記指向性パターンの変化範囲を所定数で分割したそれぞれの範囲に個別に対応するアンテナ重みを格納するためのアンテナ指向性パターン記憶手段と、前記指向性パターン記憶手段に格納された前記アンテナ重みを所定の時間間隔で読み出し送出するアンテナ指向性制御手段と、前記指向性パターン記憶手段から送出されたアンテナ重みに基づき前記アンテナの指向性パターンを生成するアンテナ指向性切り換え手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、通信スロット内でアンテナの指向性パターンを変化させるようにしたので、マルチパスの影響により発生する定常的な受信レベルの低下を防ぐことができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる無線通信装置の実施の形態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、本発明にかかる実施の形態１の無線通信装置を含む通信システムの構成例である。本実施の形態では、本発明にかかる無線通信装置として、基地局を例として説明する。図１に示すように、本実施の形態の通信システムは、無線通信を行う基地局１と、基地局１と無線通信を行う端末２と、で構成される。また、基地局１は、Ｍ素子（Ｍは素子数）のアレーアンテナ３−１〜３−Ｍと、送信信号に対してアンテナ重み（アレーアンテナ３−１〜３−Ｍの各素子に対する重み係数）に基づいて振幅，位相を調整してアレーアンテナ３−１〜３−Ｍの指向性を切り換える送信アンテナ指向性切り換え部４と、送信アンテナ指向性パターンを格納している送信アンテナ指向性パターンテーブル５と、送信アンテナ指向性切り換え部４が切り換えるべき送信アンテナ指向性パターンに対応するアンテナ重みを送信アンテナ指向性パターンテーブル５から選択して送信アンテナ指向性切り換え部４を制御するアンテナ指向性制御部６と、送信信号に対してインターリーブ，誤り訂正符号化，変調，波形整形を行う送信部７と、受信した信号の復調と復号を行う受信部８と、で構成される。指向性パターン９は、アレーアンテナ３−１〜３−Ｍの指向パターンの概念を表している。なお、本発明の主要部に関連する処理ブロックだけを抜き出しているため、Ｄ／Ａ（Digital／Analog）変換以降のＲＦ段のブロックは省略している。また、端末２は、コスト低減（回路規模小、消費電力削減）の観点から１本のアンテナで送受信を行うものとする。

つづいて、本実施の形態の動作について説明する。本実施の形態では、ＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）／ＴＤＤ（Time Division Duplex）の遅延検波方式とＰＳＫ（Phase Shift Keying）変調を用い、ＦＥＣ（Forward Error Correction）を採用した無線システムを一例として説明する。

図２に本実施の形態のフレームフォーマットの一例を示す。図２に示すように、本実施の形態のフレームは、キャリア同期、クロック同期、フレーム同期などに用いられるパイロット信号２０，共通的に送信される制御情報である共通制御チャネル２１，端末ごとに送受信する情報である個別チャネル２２で構成される。また、パイロット信号２０の長さ（パイロット信号の１通信スロット長、パイロット信号の送信期間）をパイロット信号長２３，共通制御チャネル２１の長さ（共通制御チャネルの１通信スロット長）を共通制御チャネル長２４，個別チャネル２２のＦＥＣを施す送信データ単位の長さ（個別チャネルの１通信スロット長）を１通信スロット長２５とする。

本実施の形態では、アンテナ指向性パターンを、あらかじめ定めた範囲（以下、変化範囲という）をあらかじめ定めた周期（以下、変化周期という）で変化させる。変化周期は、図２に示した各々の項目（以下、データ種別という）ごとに、パイロット信号２０に対してはパイロット信号長２３以下に、共通制御チャネル２１に対しては共通制御チャネル長２４以下に、個別チャネル２２に対しては、１通信スロット長２５以下に設定する。ただし、変化周期は、送信信号のサンプリング周期以上とする。なお、本実施の形態では、変化周期を前述の項目のうち最小となる周期に、データ種別によらず一定に設定するとして説明する。このように、データ種別のうち最小となる周期に設定して変化周期を共通化してもよいし、データ種別ごとに個別に設定してもよい。なお、本実施の形態では、データ種別は、パイロット信号２０，共通制御チャネル２１，個別チャネル２２の３つとしたが、これに限らず、ユニークワードなど他のデータ種別を含んでよい。

つぎに、アンテナ指向性パターンの変化方法について説明する。ここでは、説明の簡略化のため、一例としてアンテナ指向性パターンの変化範囲をメインビームの方向で定義することにする。定義方法は、これに限らず、アンテナ指向性パターンの変化を表すパラメータであれば、どのようなものでもよい。

図３に本実施の形態のアンテナ指向性パターンの変化の概念図を示す。図３において、送信アンテナ指向性パターンを変化させる範囲を変化範囲３１とし、その変化の中心を変化中心３２とする。変化範囲３１は、たとえば、まず、変化させるアンテナ指向性パターンの分散Ｎを、本実施の形態の基地局１が通信を行う範囲や基地局１および端末２の受信性能などを考慮しあらかじめ設定する。そして、変化中心３２を決定して、分散がＮになるように、変化範囲３１を決定する。変化中心３２については特に制約はないが、ここでは、たとえば、変化中心３２方向が、角度の基準（０度）であるとして説明する。そして、その変化範囲３１を、任意の角度刻みの範囲に分割する。この角度刻みは、アンテナ指向性パターンを変化させる単位となる。したがって、たとえば、サンプリング周期ごとにアンテナ指向性パターンを変化させる場合には、サンプリング周期に対応するように設定する必要があるため、変化周期とサンプリング周期を考慮して決定する。なお、複数のサンプリング周期ごとにアンテナ指向性パターンを変化させるようにして、複数のサンプリング周期に対応したステップとしてもよい。また、角度刻みは、遅延検波に影響が出ない程度に設定し、また、隣接チャネル漏洩電力に影響を及ぼすような急激な変化はしないように考慮して設定するのがよい。

指向性パターンを変化させると、周波数偏差が生じるため、端末２のＡＦＣ（Auto Frequency Control）の精度を保つために、周波数の中心（平均周波数）が変動しないようにすることが望ましい。特に、端末２は、パイロット信号を用いてキャリア同期を行うため、パイロット信号の送信期間（パイロット信号長２３の間）の平均周波数は、共通制御チャネルおよび個別チャネルのデータ送信の平均周波数と一致することが望ましい。たとえば、全てのデータ種別に対して同一の変化範囲３１を設定した場合、変化範囲３１を１往復する周期（変化周期）を、パイロット信号長２３と同一またはパイロット信号長２３の整数分の一に設定した場合には、パイロット信号長２３内のアンテナ指向性パターンの平均値は、変化中心３２と一致する。一方、変化周期を、たとえば、パイロット信号長２３の０．８倍とした場合には、パイロット信号長２３内のアンテナ指向性パターンの平均値は、変化中心３２と一致しない。このような場合、個別チャネルが、たとえば、変化周期を１通信スロットと同一にしていると、パイロット信号と個別チャネルで平均周波数が異なることになり、好ましくない。

したがって、全てのデータ種別について、たとえば、変化周期を１通信スロットと同一または整数倍にすれば、平均周波数は、全てのデータ種別について同一となる。

そして、各々の分割した角度刻みの範囲（分割角度範囲）に対応するアンテナ指向性パターンを生成するためのアンテナ重みを生成し、送信アンテナ指向性パターンテーブル５に格納しておく。たとえば、−１０度〜１０度の範囲を２度刻みで分割する場合には、−１０度、−８度、−６度、−４度，−２度，０度，２度，４度，６度，８度，１０度をそれぞれの分割角度範囲の始点とし、それぞれに対応する１１種類のアンテナ重みが格納される。これらのアンテナ重みを、一定の周期（以下読み出し周期という）で、順次、メインビーム方向の角度の昇順または降順に読み出し、送信アンテナ指向性切り換え部４に設定することにより、送信アンテナ指向性パターンを変動させていくことができる。読み出し周期は、サンプリング周期と同一してもよいし、サンプリング周期の整数倍としてもよい。格納されているアンテナ重みの数（前述の例では１１）をＬとするとき、読み出し周期が、変化周期を２Ｌで割った数値と一致するように、変化周期，読み出し周期，Ｌをそれぞれ決めれば、読み出し周期で順次アンテナ重みを読み出して設定していくことにより、１変化周期で変化範囲を１往復することになる。

なお、本実施の形態では、角度刻みを等間隔としたが、変化中心３２に対して対称になるように分割角度範囲が設定されており、かつ、遅延検波に影響が出ない程度、また、隣接チャネル漏洩電力に影響を及ぼすような急激な変化で無い範囲であれば、等間隔でなくてもよい。たとえば、上述の−１０度〜１０度の例では、−１０度、−６度、−４度，−２度，０度，２度，４度，６度，１０度のように、変化中心３２の０度に対して、対称な−８度と８度を除いた範囲としてもよい。

つぎに、送信部７は、送信データに対してインターリーブ，誤り訂正符号化，変調を行い、パイロット信号を付加して送信信号を生成し、アンテナ指向性切り換え部４へ出力する。つぎに、１変化周期内の最初の処理として、アンテナ指向性制御部６は、アンテナ指向性パターンテーブル５のなかから１つのアンテナ重みを読み出し、読み出したアンテナ重みを送信アンテナ指向性切り換え部４に送出する（アンテナ重み送出処理）。送信アンテナ指向性切り換え部４は、送出されたアンテナ重みに基づき、送信信号の振幅，位相を調整して送信アンテナ指向性パターンを生成しアレーアンテナ３−１〜３−Ｍに送出する（アンテナ指向性切り換え処理）。そして、アレーアンテナ３−１〜３−Ｍは、送信アンテナ指向性切り換え部４から送出された送信信号を電波として送信する（送信処理）。

そして、同様に、読み出し周期ごとに、メインビーム方向角度の昇順または降順に対応する読み出すアンテナ重みを変えて、上記のアンテナ重み送出処理，アンテナ指向性切り換え処理，送信処理）を変化周期内で繰り返す。ここまでが、１変化周期内の処理である。

そして、上述の１変化周期内の処理を繰り返す。なお、データ種別ごとに、変化周期を変える場合には、アンテナ指向性制御部６が送信部７から、データ種別の切れ目を示す信号を受信し、その信号をもとに変化周期を変更すればよい。また、送信部７が、送信データがどのデータ種別に相当するものであるかを通知し、アンテナ指向性制御部６が、その通知を参照して変化周期を変えるようにしてもよい。さらに、アンテナ重みを生成する角度刻みを項目ごとに変える場合には、送信アンテナ指向性パターンテーブルに項目ごとにアンテナ重みを格納し、アンテナ指向性制御部６は、項目の切れ目を示す信号を受信した際に、読み出すアンテナ重みを切り換えるようにすればよい。

また、本実施の形態では、同じ送信アンテナ指向性パターンの変動を繰り返すようにしたが、送信アンテナ指向性パターンの変化範囲３１と変化中心３２を少しずつ変化させるように制御してもよい。その場合には、変化範囲３１と変化中心３２を変化させる種類分のアンテナ重みを生成しておき、それらを全て格納しておき、送信アンテナ指向性制御部で読み出すアンテナ重みを変えるようにすればよい。また、変化中心３２のみの変更の場合には、格納されている送信アンテナ指向性パターンにオフセット分の数値を足すようにしてもよい。ただし、変化中心３２を変化させる場合には、たとえば、変化中心３２の平均値は、パイロット信号長２３内の変動の平均値を一致させるなど、周波数偏差の影響を考慮して変化させる。

このように基地局１が送信アンテナ指向性パターンを変化させて送信することにより、端末２は、伝送路変動が起こり強制的に擬似的なフェージングが起こった状態の信号を受信する。端末２は、受信信号内のパイロット信号を利用してキャリア同期、クロック同期、フレーム同期を行った後、復調・復号処理を行う。伝送路変動の影響は、復号においてデインターリーブと誤り訂正を行うことにより除去することができる。

以上のように、本実施の形態では、１通信スロット時間以下の周期でアンテナ指向性を変化させることにより通信スロット内で擬似フェージングを引き起こすようにした。このため、フェージングやマルチパスの影響により特定の範囲に恒常的に発生する受信レベルの低下の発生を防ぐことができ、このような特定の範囲に位置し受信困難となっていた端末に対して受信品質を改善することができる。

実施の形態２．
図４は、本発明にかかる実施の形態２の無線通信装置を含む通信システムの構成例である。図４に示すように、本実施の形態では、実施の形態１の基地局１，端末２をそれぞれ基地局１ａ，端末２ａに替えている。基地局１ａは、実施の形態１の基地局１に通信中の端末の受信品質情報を管理する端末受信品質情報管理部１０を加え、実施の形態１のアンテナ指向性制御部６，送信部７を、それぞれアンテナ指向性制御部６ａ，送信部７ａに替えている。また、端末２ａは、アンテナ１１と、送信信号に対してインターリーブ，誤り訂正符号化，変調，波形整形を行う送信部１２と、受信した信号の復調と復号を行う受信部１３と、受信品質測定を行い測定結果から最も受信品質のよい状態を判定する受信品質測定部１４とで構成される。これ以外は、実施の形態１と同様である。実施の形態１と同様の機能のものは、同一の符号を付して説明を省略する。

実施の形態１では、基地局１が一方的に送信アンテナ指向性制御を行い、パイロット信号、共通制御チャネル、個別チャネルに対して送信アンテナ指向性を１通信スロット時間内で変動させていた。しかしながら、端末によって伝送路が異なるため最適な送信アンテナ指向性パターンは端末ごとにそれぞれ異なる。そこで、本実施の形態では、個別チャネルについては各端末の受信品質情報を基地局１ａにフィードバックし、基地局１ａで各端末の受信品質情報を活用して個別チャネルの送信アンテナ指向性を制御することで個別チャネルの受信品質を改善させる。

つづいて本実施の形態の動作について説明する。以下、実施の形態１と同様の部分は説明を省略し、実施の形態１と異なる部分のみ説明する。また、本実施の形態のフレームフォーマットは実施の形態１の図２と同様とする。

まず、実施の形態１と同様に、変化範囲、変化周期を決定し、アンテナ指向性パターンアンテナごとにアンテナ重みを生成して、送信アンテナ指向性パターンテーブル５に格納する。

つぎに、実施の形態１と同様に送信部７ａは、送信データに対してインターリーブ，誤り訂正符号化，変調を行い、パイロット信号を付加して送信信号を生成し、送信アンテナ指向性切り換え部４へ出力する。このとき、送信部７ａは、宛先の端末に関する情報と、送信するデータが個別チャネルであるか否かの情報をアンテナ指向性制御部６ａに通知する。以降、基地局１ａのアンテナ指向性制御部６ａは、送信部７ａからの通知に基づき、個別チャネル以外（パイロット信号および共通制御チャネル）の送信データである場合については、実施の形態１と同様の処理を行う。

以下、送信信号のうち個別チャネルの送信アンテナ指向性パターン変化方法について説明する。まず、端末２ａにおいて、受信部１３が、アンテナ１１で受信した受信信号内のパイロット信号に基づきキャリア同期，クロック同期，フレーム同期を行う。つぎに、受信部１３は、パイロット信号に基づき同期と判定すると受信品質測定部１４に同期確立を通知する。受信品質測定部１４は、受信部１３から同期確立の通知を受けると、あらかじめ設定されたサンプル区間毎にパイロット信号の受信品質の測定を行う。ここで、サンプル区間は、たとえば、送信アンテナ指向性パターンを変える周期（読み出し周期）とする。このように設定することにより、端末２ａの受信品質がどの送信アンテナ指向性パターンに対して最良であるかを判別することができる。そして、受信品質測定部１４は、その測定結果に基づき最も受信品質の良いサンプル区間を判定し、その判定した最も受信品質の良いサンプル区間の情報（最良受信区間タイミング情報）を送信部１２へ出力する。送信部１２は、受信品質測定部１４から受け取った最良受信区間タイミング情報を含めた送信データを符号化，変調を行い送信する。

基地局１ａは、最良受信区間タイミング情報を含む端末２ａから送られた信号をアレーアンテナ３−１〜３−Ｍで受信し、受信部８が、その受信信号を送信アンテナ指向性設定部経由で受け取り復調，復号する。そして、受信部は、復調，復号した受信信号に含まれる最良受信区間タイミング情報を端末受信品質情報管理部１０に送出する。端末受信品質情報管理部１０は、端末２ａから最良の受信区間タイミング情報を初めて受け取る場合はそのまま格納する。過去に端末２ａの最良の受信区間タイミング情報を受け取っている場合は、過去に格納された情報を受け取った情報に更新する。そして、端末受信品質情報管理部１０は、更新するたびに、最良の受信区間タイミング情報をアンテナ指向性制御部６ａに送出する。

このようにして、端末受信品質情報管理部１０は、端末２ａから最良の受信区間タイミング情報が送られてくる度に格納している最良の受信区間タイミング情報を最新のものへ更新していく。同様に、端末受信品質情報管理部１０は、通信中のすべての端末の最良の受信区間タイミング情報を格納して更新する。

アンテナ指向性制御部６ａは、送信部７ａからの通知に基づき個別チャネルのデータ送信と判断した場合には、送信部７ａからの通知されたあて先の端末情報と、端末ごとの最新の受信区間タイミング情報に基づいて、データを送信する端末が、どの送信アンテナ指向性パターンが最適であるかを求める。そして、求めた送信アンテナ指向性パターンに対応するアンテナ重みを、該当する端末の個別チャネルの通信時に送信アンテナ指向性切り換え部４に送出し、実施の形態１と同様にアンテナ指向性切り換え処理と送信処理を行う。そして、次回のその端末の最良の受信区間タイミング情報の更新まで、当該端末との通信においては、そのアンテナ重みを用いたアンテナ指向性切り換え処理と送信処理を継続する。

なお、端末に関する最良の受信区間タイミング情報が最初に送信されるまでの間は、その端末に対する個別チャネルは、実施の形態１と同様に送信アンテナ指向性パターンを変化させて送信するものとする。

以上のように、本実施の形態では、端末２ａが、受信品質の測定を行い最良の受信区間タイミング情報を求め、基地局１ａは、個別チャネルについては、その受信品質情報に基づいてアンテナ指向性パターンを決定するようにした。このため、実施の形態１に比べ、端末２ａの受信品質が向上する。

実施の形態３．
図５は、本発明にかかる実施の形態３の無線通信装置を含む通信システムの構成例である。図５に示すように、本実施の形態では、実施の形態２の基地局１ａを基地局１ｂに替えている。基地局１ｂは、実施の形態２の基地局１ａの送信アンテナ指向性切り換え部４，送信アンテナ指向性パターンテーブル５，アンテナ指向性制御部６ａ，送信部７ａ，受信部８を、それぞれ送信信号および受信信号に対してアンテナ重みによって振幅，位相を調整してアレーアンテナ３−１〜３−Ｍの指向性を切り換える送受アンテナ指向性切り換え部１５，送受アンテナ指向性パターンを保存するための送受アンテナ指向性パターンテーブル１６，送受アンテナ指向性切り換え部１５が切り換えるべき送信アンテナ指向性パターンに対応するアンテナ重みを送受アンテナ指向性パターンテーブル１６から選択して送信アンテナ指向性切り換え部１５を制御する送受アンテナ指向性制御部１７，送信部７ｂ，受信部８ａに替えている。これ以外は、実施の形態２と同様である。実施の形態１または実施の形態２と同様の機能のものは、同一の符号を付して説明を省略する。

実施の形態２では、端末２ａの受信品質情報に基づいて基地局１ａの送信アンテナ指向性パターンを決定し、端末受信の個別チャネルの受信品質を改善した。本実施の形態では、端末の受信品質情報に基づいて実施の形態２と同様に基地局１ｂの送信アンテナ指向性パターンを決定し、さらに、決定した送信アンテナ指向性パターンを基地局１ｂの受信アンテナ指向性パターンに適用する。これによって、基地局１ｂの受信感度改善が期待できる。

つづいて、本実施の形態の動作について説明する。以下、実施の形態１または実施の形態２と同様の部分は説明を省略し、異なる部分のみ説明する。また、本実施の形態のフレームフォーマットは実施の形態１の図２と同様とする。

本実施の形態における基地局１ｂの送信時の動作については実施の形態２と同様である。ただし、実施の形態２と同様の動作のうち、送信アンテナ指向性切り換え部４，アンテナ指向性制御部６ａの動作は、それぞれ送受アンテナ指向性切り換え部１５，送受アンテナ指向性制御部１７が行うものとする。また、送信アンテナ指向性パターンに対応するアンテナ重みは、送信アンテナ指向性パターンテーブル５のかわりに送受アンテナ指向性パターンテーブル１６に格納されるものとする。以下、本実施の形態の基地局１ｂの受信時の動作について説明する。

基地局１ｂの受信部８ａは、アレーアンテナ３−１〜３−Ｍおよび送受アンテナ指向性切り換え部１５経由で端末２ａからの信号を受信する。そして、その受信した信号の送信元の端末情報を送受アンテナ指向性制御部１７に通知する。また、端末受信品質情報管理部１０は、実施の形態２と同様に、端末ごとの最新の最良受信区間タイミング情報を送受アンテナ指向性制御部１７に通知しているものとする。送受アンテナ指向性制御部１７は、通知された最良受信区間タイミング情報と、送信元の端末情報と、に基づき、送受アンテナ指向性パターンテーブル１６に格納されているアンテナ重みを選択して送受アンテナ指向性切り換え部１５に送出する。ここで、選択するときの選択方法は、送信アンテナパターンを選択する場合と同様である。ＴＤＤシステムでは上りリンクと下りリンクで伝送路状態が同一とみなせるので、送信時のアンテナ重みを受信時に適応することによって受信ダイバーシチ効果が期待できる。

送受アンテナ指向性切り換え部１５は、送出されたアンテナ重みに基づき、アレーアンテナ３−１〜３−Ｍで受信された受信信号に対して位相，振幅の調整を施し受信部８ａに送出する。

なお、端末に関する最良の受信区間タイミング情報が最初に送信されるまでの間は、その端末からの受信については、実施の形態１と同様に送信アンテナ指向性パターンを変化させて送信するものとする。

以上のように、本実施の形態では、基地局１ｂにおいて、受信時のアンテナ指向性パターンを送信時のアンテナ指向性パターンと同様に端末２ａにおける受信品質に基づいて設定するようにした。このため、基地局１ｂの受信品質の向上が期待できる。

実施の形態４．
図６は本発明にかかる制御装置を含む通信システムの構成例を示す図である。図６に示すように、本実施の形態の通信システムは、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３と、端末２ｂと、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３を制御する制御装置である複数局制御装置１８で構成される。基地局１ｃ−１〜１ｃ−３は、複数局制御装置１８とそれぞれ有線で接続されている。なお、本実施の形態では、基地局の数を３としているが、これに限る必要はない。

実施の形態１〜実施の形態３では、１基地局において１通信スロット時間以下の周期で送信アンテナ指向性を切り換えることにより、通信スロット内で擬似フェージングを引き起こし、マルチパスによる受信レベルの落ち込みの軽減を図った。本実施の形態では、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３が同一周波数で同一のデータの送信を行う無線通信システムにおいて、複数局制御装置１８が基地局１ｃ−１〜１ｃ−３を統一的に送信アンテナ指向性パターンの変化を制御し、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３は、その指示に従って送信アンテナ指向性パターンを変化させる。これによって、複数基地局の同時送信によって生じる、サービスエリア内の定在波による受信レベルの低下する地点を減らす効果が期待できる。

図７は、複数局制御装置１８の機能構成例を示す図である。図７に示すように、複数局制御装置１８は、端末２ｂに送信する送信データに対してインターリーブ，誤り訂正符号化，変調，波形整形を行いパイロット信号を付加して基地局１ｃ−１〜１ｃ−３に送信するとともに、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３が設定すべきアンテナ重みを送信する送信部７ｃと、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３で受信した端末２ｂから送信された信号に対して復号，復調を行う受信部８ｂと、端末２ｂの受信品質情報を管理する端末受信品質情報管理部１０ａ−１〜１０ａ−３と、送受アンテナ指向性パターンに対応するアンテナ重みを格納している送受アンテナ指向性パターンテーブル１６ａ−１〜１６ａ−３と、切り換えるべき送受アンテナ指向性パターンを送受アンテナ指向性パターンテーブル１６ａ−１〜１６ａ−３から選択し、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３に選択したアンテナ重みを送信するためのデータを生成して送信部７ｃに送出する送受アンテナ指向性制御部１７ａ−１〜１７ａ−３と、を備えている。

図８は、本実施の形態の基地局１ｃ（基地局１ｃ−１〜１ｃ−３は、同一の構成とし、基地局１ｃと表記する）と端末２ｂの機能構成例を示す図である。図８において、基地局１ｃは、実施の形態３の基地局１ｂのアレーアンテナ３−１〜３−Ｍを備え、送受アンテナ指向性切り換え部１５の替わりに、複数局制御装置１８から送信されるアンテナ重みに基づいて送信信号および受信信号の振幅，位相を調整しての指向性を切り換えるとともに、端末２ｂから受信したデータを複数局制御装置１８に送信し、端末２ｂに送信するデータを複数局制御装置１８から受信する送受アンテナ指向性切り換え部１５ａを備える。端末２ｂは実施の形態２の端末２ａと同様の構成とする。また、基地局１ｃが、送受アンテナ指向性切り換え部１５の替わりに、複数局制御装置１８から送信されるアンテナ重みに基づいて送信信号の振幅，位相を調整してアレーアンテナ３−１〜３−Ｍの指向性を切り換えるとともに、端末２ｂから受信したデータを複数局制御装置１８に送信し、端末２ｂに送信するデータを複数局制御装置１８から受信する送信アンテナ指向性切り換え部４ａを備え、端末２ｂを、実施の形態１の端末２または実施の形態２の端末２ａと同様の構成としてもよい。実施の形態１、２または３と同様の機能のものは、同一の符号を付して説明を省略する。

つづいて実施の形態の動作について説明する。以下、実施の形態１、実施の形態２または実施の形態３と同様の部分は説明を省略し、異なる部分のみ説明する。

まず、複数局制御装置１８は、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３のそれぞれについて実施の形態１と同様にアンテナ指向性パターンの変化範囲と変化周期を決定し、それぞれに対応するアンテナ重みを生成して、それぞれの基地局に対応する送受アンテナ指向性パターンテーブル１６ａ−１〜１６ａ−３に格納する。送受アンテナ指向性パターンテーブル１６ａ−１〜１６ａ−３は、それぞれ、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３に個別に対応するテーブルとする。

複数局制御装置１８の送信部７ｃは、端末２ｂあての送信データに対してインターリーブ，誤り訂正符号化，変調を行い、パイロット信号を付加して送信信号を生成し、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３に同一のデータを送信する。このとき、送信部７ｃは、宛先の端末に関する情報と、送信するデータが個別チャネルであるか否かの情報を送受アンテナ指向性制御部１７ａ−１〜３に通知する。

また、複数局制御装置１８の受信部８ｂは、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３で受信した端末２ｂから送信されたデータに対して復号，復調を行う。そして、データのうち、端末２ｂから送られた最良の受信区間タイミング情報を、そのデータの経由した基地局１ｃ−１〜１ｃ−３に対応する端末受信品質情報管理部１０ａ−１〜１０ａ−３に送出する。端末受信品質情報管理部１０ａ−１〜１０ａ−３は、同様にして、サービスエリア内の全ての端末と基地局１ｃ−１〜１ｃ−３との通信時の最良の受信区間タイミング情報を取得して保持する。

つぎに、複数局制御装置１８の送受アンテナ指向性制御部１７ａ−１〜１７ａ−３は、通知された送信するデータが個別チャネルであるか否かの情報に基づき、それぞれ対応する基地局１ｃ−１〜１ｃ−３に対して、実施の形態３の送受アンテナ指向性制御部１７の動作と同様にアンテナ重みを読み出す。個別チャネルの送信データである場合には、実施の形態３と同様に、端末受信品質情報管理部１０ａ−１〜１０ａ−３に格納されている最良の受信区間タイミング情報を用いてアンテナ重みを選択する。送受アンテナ指向性制御部１７ａ−１〜１７ａ−３の処理は、アンテナ重みの送出先が、送受アンテナ指向性切り換え部１５に替えて、有線経由の送受アンテナ指向性切り換え部１５ａになること以外は、実施の形態３の送受アンテナ指向性制御部１７の処理と同様である。

つぎに、基地局１ｃの送受アンテナ指向性切り換え部１５ａは、有線により複数局制御装置１８から送出された送信信号に対して、複数局制御装置１８から送出されたアンテナ重みに基づき、振幅，位相を調整してアレーアンテナ３−１〜３−Ｍの指向性を切り換える。また、端末２ｂから送信されたデータを受信する場合にも、複数局制御装置１８において、実施の形態３の受信部８ａの動作を受信８ｂが行い、送受アンテナ指向性制御部１７の動作を送受アンテナ指向性制御部１７ａ−１〜１７ａ−３が行うことにより、受信時のアンテナ重みを送出する。そして、基地局１ｃの送受アンテナ指向性切り換え部１５ａは、送出されたアンテナ重みに基づき、受信信号の振幅，位相を調整してアレーアンテナ３−１〜３−Ｍの指向性を切り換える。

端末２ｂでは、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３の指向性が変化することによる伝送路変動の影響を復号においてデインターリーブと誤り訂正の効果で救済する。これによって、複数基地局１ｃ−１〜１ｃ−３を用いたダイバーシチ効果が期待できる。

また、端末２ｂは、実施の形態２の端末２ａと同様に、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３からの個別チャネルの信号受信時には、最良の受信区間タイミング情報を求め、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３に送信する。そして、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３の送受アンテナ指向性切り換え部１５ａは、アンテナ３−１〜３−Ｍ経由で最良の受信区間タイミング情報を含む信号を端末２ｂから受信し、複数局制御装置１８に送信する。

なお、送受アンテナ指向性切り換え部１５ａの替わりに送信アンテナ指向性切り換え部４ａとする場合には、送信アンテナ指向性切り換え部４ａが実施の形態１または２と同様に送信時のみアンテナ指向性を切り換えるようにすればよい。

また、さらに、端末２ｂを実施の形態１の端末２と同様の構成とする場合には、複数局制御装置１８の構成から端末受信品質情報管理部１０ａ−１〜１０ａ−３を削除し、送受アンテナ指向性制御部１７ａ−１〜１７ａ−３が、実施の形態１のアンテナ指向性制御部６と同様に、すべてのデータ種別において、アンテナ重みを周期的に変化させるようにすればよい。

このように、実施の形態４では、実施の形態１〜実施の形態３で述べた基地局１，１ａ，１ｂで行っていたアンテナ指向性の制御を複数基地局に拡張して、基地局のアンテナ指向性制御部分を複数局制御装置１８に集約し、遠隔制御している。複数局制御装置１８で集中制御することにより、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３のそれぞれに同時に送信するアンテナ重みをあらかじめ調整しておくことによってサービスエリア内の定在波による受信レベルの低下を防ぐように制御することができる。たとえば、基地局１ｃ-１〜１ｃ−３の指向性パターンを、全て同じ変化範囲と変化周期で変化させても定在波による受信レベルの低下が発生しない場合には、全て同じ変化範囲と変化周期で送信し、定在波が発生する場合には、変化範囲のなかで読み出すアンテナ重みをオフセットさせるなどにより、受信レベルの低下が発生しないように送信すればよい。

以上のように、本実施の形態では、複数の基地局１ｃ−１〜１ｃ−３が同一の周波数で同一のデータを送信するシステムにおいて、複数局制御装置１８が、各基地局に対するアンテナ重みを管理して各基地局に送信し、基地局１ｃ−１〜１ｃ−３のそれぞれが送信されたアンテナ重みに基づきアンテナ指向性パターンを生成するようにした。このため、実施の形態１〜３の効果に加え、複数基地局によって発生する定在波による受信レベルの低下を防ぐことができる。

以上のように、本発明にかかる通信装置は、端末と無線通信を行う無線通信システムに有用であり、特に、アンテナの指向性を制御する無線通信システムに適している。

本発明の実施の形態１の通信システムの構成例を示す図である。 フレームフォーマットの一例を示す図である。 アンテナ指向性パターンの変化の概念図である。 実施の形態２の通信システムの構成例を示す図である。 実施の形態３の通信システムの構成例を示す図である。 実施の形態４の通信システムの構成例を示す図である。 実施の形態４の複数局制御装置の機能構成例を示す図である。 実施の形態４の基地局と端末の機能構成例を示す図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 基地局
２，２ａ，２ｂ 端末
３−１〜３−Ｍ アレーアンテナ
４ 送信アンテナ指向性切り換え部
５ 送信アンテナ指向性パターンテーブル
６，６ａ アンテナ指向性制御部
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，１２ 送信部
８，８ａ，８ｂ，１３ 受信部
９ 指向性パターン
１０，１０ａ−１〜１０ａ−３ 端末受信品質情報管理部
１１ アンテナ
１４ 受信品質測定部
１５，１５ａ 送受アンテナ指向性切り換え部
１６，１６ａ―１〜１６ａ−３ 送受アンテナ指向性パターンテーブル
１７，１７ａ―１〜１７ａ−３ 送受アンテナ指向性制御部
１８ 複数局制御装置
３１ 変化範囲
３２ 変化中心

Claims (12)

1. 指向性パターンが変更可能なアンテナを備え、前記指向性パターンを所定の周期で変化させながら端末と無線通信を行う無線通信装置において、
   前記指向性パターンの変化範囲を所定数で分割したそれぞれの範囲に個別に対応するアンテナ重みを格納するためのアンテナ指向性パターン記憶手段と、
   前記アンテナ指向性パターン記憶手段に格納された前記アンテナ重みを所定の時間間隔で読み出し送出するアンテナ指向性制御手段と、
   前記アンテナ指向性パターン記憶手段から送出されたアンテナ重みに基づき前記アンテナの指向性パターンを生成するアンテナ指向性切り換え手段と、
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記所定の周期を前記送信信号の最小の通信スロット長以下とし、前記所定の周期を一定とすることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記所定の周期をデータ種別ごとの通信スロット長以下とし、前記アンテナ指向性パターン記憶手段に格納されるアンテナ重みをデータ種別ごとに算出し、
   前記アンテナ指向性切り換え手段は、データ種別ごとに、対応する前記アンテナ指向性パターン記憶手段に格納されたアンテナ重みを読み出すことを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
4. 端末に送信する送信データに対してインターリーブ処理とＦＥＣ（Forward Error Correction）処理を行い、処理後のデータにパイロット信号を付加した送信信号を前記アンテナ指向性切り換え手段に出力する送信データ処理手段、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の無線通信装置。
5. 前記送信データの送信期間における指向性パターンの平均値が、前記パイロット信号送信期間の指向性パターンの平均値に等しくなるように設定することを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
6. 前記アンテナ指向性制御手段は、前記端末へのデータ送信時に前記アンテナ重みを読み出して送出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の無線通信装置。
7. 前記アンテナ指向性制御手段は、前記端末へのデータ送信時、および、前記端末からのデータ受信時に前記アンテナ重みを読み出して送出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の無線通信装置。
8. 前記端末から送信される受信品質情報を保持する品質情報管理手段、
   をさらに備え、
   前記アンテナ指向性制御手段は、前記端末ごとの通信に使用する個別チャネルデータに対応しては、前記端末に個別に対応する前記受信品質情報に基づいて前記アンテナ重みのうちのひとつを選択し、次の送信品質情報を受信するまで前記選択したアンテナ重みを送出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の無線通信装置。
9. 指向性パターンが変更可能なアンテナを備え、前記指向性パターンを所定の周期で変化させながら端末と無線通信を行う無線通信装置、を制御する制御装置であって、
   前記無線通信装置個別に対応する、前記指向性パターンの変化範囲を所定数で分割した範囲に個別に対応するアンテナ重みを前記無線通信装置ごとに格納するためのアンテナ指向性パターン記憶手段と、
   前記アンテナ指向性パターン記憶手段に格納された前記アンテナ重みを前記無線通信装置ごとに、それぞれ所定の時間間隔で読み出し送出するアンテナ指向性制御手段と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
10. 前記無線通信装置から送信される、前記端末から送信された受信品質情報を保持する品質情報管理手段、
    をさらに備え、
    前記アンテナ指向性制御手段は、前記端末ごとの通信に使用する個別チャネルデータに対しては、前記ひとつの端末に対応する前記受信品質情報に基づいて前記アンテナ重みのうちのひとつを選択し、前記送信品質情報の次の送信まで前記選択したアンテナ重みを送出することを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
11. 請求項８に記載の無線通信装置と、
    前記無線通信装置から受信した信号の受信品質を測定し、前記受信品質が最良となる指向性パターンを示す情報を前記受信品質情報として前記無線通信装置に送信する端末と、
    を備えることを特徴とする無線通信システム。
12. 請求項１０に記載の制御装置と、
    請求項８に記載の無線通信装置と、
    前記無線通信装置から受信した信号の受信品質を測定し、前記受信品質が最良となる指向性パターンを示す情報を前記受信品質情報として前記無線通信装置に送信する端末と、
    を備えることを特徴とする無線通信システム。

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