JP4732239B2 - 無線基地局及び無線基地局の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＯＦＤＭ方式による通信技術に関し、特に、伝送単位のシンボル構成技術に関する。

周波数帯を効率的に利用するための多重方式として、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）方式が知られている。ＯＦＤＭ方式では、ＯＦＤＭシンボルの先頭にガードインターバルを付加する。ガードインターバルは、遅延波の影響によりシンボル間の干渉が起きることを防ぐために設けられる。遅延波がガードインターバルを超えて受信された場合には、シンボル間干渉によって著しい受信品質の劣化が生じてしまう。そこで、従来では、ＯＦＤＭシンボルのガードインターバルは、最大カバーすべき遅延波の影響を考慮して、長めに設定されていた（特許文献１参照）。
特開２００５−３１８６３８号公報

しかしながら、ＯＦＤＭシンボルのガードインターバルを長くすると、その分ＯＦＤＭ方式による通信の通信レートの低下を招いてしまう。そのため、従来の技術のように、最大カバーすべき遅延波に合わせてガードインターバルを一律の長さに設定してしまうと、個々の通信チャネルにとってはガードインターバルが余分に長くなってしまうことがあった。そしてその結果、通信レートを低下させることとなってしまっていた。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＯＦＤＭ方式による通信において、通信品質を劣化させずに通信レートが向上するように、通信チャネルのガードインターバル長を適正な長さに変更する無線基地局及び無線基地局の制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る無線基地局は、データ信号を伝送する有効期間と、前記有効期間に伝送されるデータ信号に基づく冗長データを伝送する冗長期間とを含む信号を伝送単位として、少なくとも１つの移動局と直交周波数分割多重方式による通信を行う無線基地局であって、前記移動局により送信される信号の干渉レベルを計測する干渉レベル計測手段と、前記干渉レベル計測手段により計測された干渉レベルに従って、前記移動局との通信に用いる通信チャネルにおいて伝送される信号の前記冗長期間の長さを変更する変更手段と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る無線基地局の制御方法は、データ信号を伝送する有効期間と、前記有効期間に伝送されるデータ信号に基づく冗長データを伝送する冗長期間とを含む信号を伝送単位として、少なくとも１つの移動局と直交周波数分割多重方式による通信を行う無線基地局の制御方法であって、前記移動局により送信される信号の干渉レベルを計測する干渉レベル計測ステップと、前記干渉レベル計測ステップによりそれぞれ計測された干渉レベルに従って、前記移動局との通信に用いる通信チャネルにおいて伝送される信号の前記冗長期間の長さを変更する変更ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明では、無線基地局と移動局とが、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）方式により通信する。ＯＦＤＭ方式による通信では、データ信号を伝送する有効期間と、遅延波を吸収する冗長期間（ガードインターバル）とを含む信号を伝送単位（伝送シンボル）として通信する。無線基地局は、移動局との通信に用いられる通信チャネルの冗長期間（ガードインターバル）を、移動局により送信される信号の干渉レベルに応じた可変長とする。こうすることで、通信チャネルによる通信のガードインターバル長を、干渉レベルに合わせて適切な長さに変更することができる。

また、本発明の一態様では、前記直交周波数分割多重方式による通信を行う各移動局に共通の制御チャネルを用いて制御信号を通信する手段をさらに含み、前記変更手段は、前記移動局との通信に用いる通信チャネルにおいて伝送される信号の前記冗長期間の長さを、前記制御チャネルにおいて伝送される信号の前記冗長期間の長さよりも短縮したものに変更する、ことを特徴とする。こうすることで、通信チャネルによる通信レートが、制御チャネルによる通信レートよりも向上するように、通信チャネルによる通信のガードインターバル長を干渉レベルに合わせて適切な長さに変更することができる。

また、本発明の一態様では、前記直交周波数分割多重方式による通信の信号をアダプティブアレイアンテナにより送受信する無線基地局であって、前記アダプティブアレイアンテナにより、前記移動局に対する指向性パターンを調整し、前記移動局により送信される信号の干渉を抑制する干渉抑制手段をさらに含む、ことを特徴とする。こうすることで、アダプティブアレイアンテナにより移動局に対する指向性パターンを調整し、移動局により送信される信号の干渉を積極的に抑制しながら、通信チャネルによる通信のガードインターバル長を、干渉レベルに合わせて適切な長さに変更することができる。

また、本発明の一態様では、前記干渉抑制手段は、前記アダプティブアレイアンテナにより、前記移動局により送信される信号の干渉波の到来方向にヌルを向けて、前記移動局の信号の干渉を抑制する、ことを特徴とする。こうすることで、アダプティブアレイアンテナにより無線基地局に到来する干渉波の方向にヌルを向けた指向性パターンを形成し、移動局により送信される信号の干渉を積極的に抑制しながら、通信チャネルによる通信のガードインターバル長を、干渉レベルに合わせて適切な長さに変更することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

本発明の実施の形態に係る無線基地局は、アダプティブアレイアンテナを備え、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）方式により移動局と無線通信を行う無線基地局である。

図１は、セル内に位置する移動局１００が制御チャネルを介して、無線基地局１０に対するリンク確立の要求時の通信状況を示した図である。図１に示されるように、移動局１００が送信した信号は、無線基地局１０に直接到達したり（これを、所望波とする）、障害物Ａ，Ｂ等に反射して無線基地局１０に遅延して到達したりする（これを、遅延波とする）。このように、無線通信においては、信号の伝搬経路が複数存在することにより、受信された信号が干渉するマルチパス干渉によって通信品質が劣化することがある。

ＯＦＤＭ方式による通信では、マルチパス干渉の影響を低減するために、図２に示されるように、伝送単位である伝送シンボルを、データ信号を伝送する有効期間に、遅延波を吸収する時間としてガードインターバル（ガード時間）と呼ばれる冗長期間を加えて構成している。図２にも示されるように、ガードインターバルは、有効期間に伝送されるデータ信号の後半の一部分をコピーしたデータ信号である。ＯＦＤＭ方式による通信では、このような構成を取ることで、ガードインターバル長が遅延波の遅延時間よりも長ければ、受信した伝送シンボルから正しいデータ信号が復調される。

制御チャネルは、図１に示した移動局１００のみならず、同一セル内に位置する図示しない他の移動局との通信をカバーするため、あらゆる遅延波を考慮する必要がある。そのため、制御チャネルを介して通信される信号のガードインターバルは、予測される最大の遅延時間を考慮して設定される。

そして、図３は、通信チャネルが割り当てられた移動局１００と無線基地局１０とが、割り当てられた通信チャネルを介して通信している状況を示す図である。無線基地局１０は、アダプティブアレイアンテナの各アンテナ素子の重み付けを調整し、移動局１００に対して、図３で示される指向性パターンを形成している。形成される指向性パターンにおいては、アダプティブアレイアンテナによるヌルステアリングにより、遅延波の到来方向にヌルを向けるようにされる。こうすることで、無線基地局１０に到来する遅延波が減衰され、所望波と遅延波との干渉が抑制される。このように移動局１００に対して、適当な指向性を形成すると、遅延波による影響が低減でき、ガードインターバルを短縮しても、マルチパス干渉の影響が極めて低減される。

このように、無線基地局１０は、移動局１００との通信チャネルを介した通信において、干渉レベルが低い場合には、通信チャネルを介して伝送するシンボルのガードインターバルの長さを、制御チャネルにおいて伝送するシンボルのガードインターバルの長さよりも短縮したものに変更して通信を行う。ガードインターバルの長さを短縮することで、搬送波の送信時間あたりの送信可能なシンボル数が増え、通信レートが向上される。

なお、本実施形態においては、説明の便宜上、図中に移動局を１台しか記載していないが、無線基地局１０が同時に複数の移動局と通信している状況や、ＯＦＤＭ方式を用いた多重アクセス方式であるＯＦＤＭＡにおいても、本発明の技術を適用可能であるのはもちろんのことである。

以下、上記処理を実現するために、本願発明に係る無線基地局１０が備える構成を説明する。

図４は、無線基地局１０が備える構成を示す構成ブロック図である。図４に示されるように、無線基地局１０は、アダプティブアレイアンテナ２０、アンテナ切替部２１、受信部２２、復調部２４、アダプティブアレイ制御部２６、干渉レベル測定部２８、変調部３０、送信部３２を含み構成される。また、図５は、変調部３０の詳細な構成図である。以下、各部における処理の詳細を説明する。

アンテナ切替部２１は、アダプティブアレイアンテナ２０を時分割で制御して、送信と受信との処理を切り替える。まず、移動局により送信されたＯＦＤＭ信号を受信する際の処理に関して説明する。

移動局１００により通信チャネルを用いて送信されたＯＦＤＭ信号は、複数のアンテナ素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄから形成されるアダプティブアレイアンテナ２０により受信される。アダプティブアレイアンテナ２０の各アンテナ素子により受信されたＯＦＤＭ信号は、それぞれ受信部２２により増幅、中間周波数への変換、Ａ／Ｄ変換が施された後に、ＯＦＤＭベースバンド信号に変換される。

受信部２２が出力したＯＦＤＭベースバンド信号は、本実施形態における伝送シンボルの有効期間長をＴｓ、ＯＦＤＭの搬送波数をＮとすると、復調部２４において、Ｔｓ／Ｎのサンプリング間隔で有効期間長に渡ってサンプリングされる。そして、サンプリングされたデータは、Ｎ個の信号として直並列変換された後に出力される。出力されたＮ個のサンプリングデータは、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）によって、各搬送波を変調する複素シンボル列が抽出される。抽出されたシンボルは、並直列変換された後に周波数領域のＯＦＤＭ復調信号として出力される。

そして、復調部２４で出力されたＯＦＤＭ復調信号は、アダプティブアレイ制御部２６において各アンテナ素子について算出された複素ウェイトを乗算して合成される。そして、合成後のＯＦＤＭ復調信号は、伝送シンボル毎に変調されて、受信データ３４として出力される。

アダプティブアレイ制御部２６においては、アダプティブアレイアンテナ２０の各アンテナ素子に対応した復調信号に基づいて、複素ウェイトが更新される。この複素ウェイトの更新アルゴリズムは、ＭＭＳＥ、ＣＭＡ、ＭＳＮ、ＤＣＭＰ等の公知のアルゴリズムを用いることとしてよい。無線基地局１０は、アダプティブアレイ制御部２６におけるアダプティブアレイアンテナ２０の各アンテナ素子のウェイトを更新することで、所望波の到来方向にメインローブが向くようにし、また、干渉波の到来方向に対してはヌルを向けるようにする。なお、ここでの干渉波とは、建造物に反射して到来した遅延波等の相関性干渉波と、他の移動局からの信号等の非相関性干渉波を含むものである。こうして、遅延波を含む干渉波を減衰させるような指向性パターンを形成する。

また、干渉レベル測定部２８においては、アダプティブアレイアンテナ２０の各アンテナ素子に対応した復調信号に基づいて、所望波と干渉波の電界強度が測定される。そして、測定された電界強度に基づいて、アダプティブアレイアンテナ２０に入射する所望波と干渉波との干渉レベルとして、例えば、電界強度比（ＳＩＲ）が算出される。

次に、無線基地局１０が移動局１００に対してＯＦＤＭ信号を送信する際の処理について、図４、図５を参照しつつ説明する。

［ガードインターバル長の決定処理］
まず、通信チャネルにおいて伝送されるＯＦＤＭ信号のガードインターバル長（ＧＩ長）を決定する処理について説明する。

干渉レベル測定部２８において出力された干渉レベルに従って、ＧＩ長決定部４０においては、ガードインターバル長が決定される。例えば、ＧＩ長は、図６に示されるように、制御チャネルにおける通信で用いられる長さ（通常ＧＩ長）と、通信チャネルにおける通信において干渉が抑制されている場合に用いられる長さ（短縮ＧＩ長）を予め用意し、各長さをメモリ等の記憶部に格納しておくこととしてもよい。

そして、干渉レベルをアダプティブアレイアンテナ２０に入射する所望波と干渉波との電界強度比（ＳＩＲ）とした場合には、ＳＩＲの値が予め定められた閾値よりも小さい場合に、ガードインターバル長を短縮ＧＩ長に変更することとしてもよい。ＧＩ長決定部４０における処理は、無線基地局１０を制御するプロセッサとメモリにより実現されることとしてもよい。その場合には、プロセッサがメモリにアクセスして、予め定められた閾値を読み込み、干渉レベルと読み込んだ閾値とを比較する。そして、比較の結果、干渉レベルの方が小さい場合に、プロセッサは、再びメモリにアクセスして短縮ＧＩ長の値を読み込み、その読み込んだ値でガードインターバル長を設定することとしてもよい。

［送信データの変調処理］
次に、送信データの変調処理について、図５に基づき説明する。

送信データ３６は、複数ビット毎に対応する複素シンボルに変換され、さらにアダプティブアレイ制御部２６においてアンテナ素子毎に算出された複素ウェイトが乗算される。こうして、各搬送波を変調するための複素シンボル列が生成される。そして、生成された複素シンボル列は、直並列変換部４２においてＮ個のシンボル列として直並列変換されて出力される。出力されたＮ個のシンボル列は、逆フーリエ変換部４４において、一括変換されてＮ個のＯＤＦＭシンボルの標本値が生成される。得られた標本値は、並直列変換部４６において並直列変換された後に、連続した時間領域の複素ＯＦＤＭベースバンド信号として出力される。

そして、生成された複素ＯＦＤＭベースバンド信号について、ＧＩ長決定部４０において決定されたＧＩ長の値Ｔｇに基づいて、ＧＩ付加部４８において、複素ＯＦＤＭベースバンド信号の各シンボルの後半のＴｇの長さの部分が各シンボルの先頭に加えられる。ＧＩが付加された複素ＯＦＤＭベースバンド信号は、補間フィルタ５０を通過した後に、その実部に対して直交変調部５２において搬送波周波数が掛け合わされて、搬送帯域のＯＦＤＭ信号が出力される。

出力されたＯＦＤＭ信号は、送信部３２において増幅された後、アダプティブアレイアンテナ２０を介して移動局１００に対して送信される。

次に、図７を参照しつつ、無線基地局１０におけるＧＩ長を制御しながら移動局１００との通信を行う際の処理の流れを説明する。

図７に示されるように、無線基地局１０は、移動局１００から制御チャネル（ＣＣＨ）によりリンクチャネル確立要求信号を受信すると（Ｓ１０１）、無線基地局１０は、空き通信チャネル（空きＴＣＨ）を検出し、ＣＣＨを用いて空きＴＣＨを指定するリンクチャネル割当信号（ＬＣＨ割当信号）を移動局１００に送信する（Ｓ１０２）。Ｓ１０１からＳ１０２における通信では、制御チャネルにより通信されるＯＦＤＭ信号のガードインターバル長は、セル内で予測される最大の遅延時間に対応した固定長である。

そして、移動局１００は割り当てられたＴＣＨを用いて、同期バースト信号を基地局に送信し、また、無線基地局１０からは同期バースト信号の返信を受けて、両者は同期確立を完了する（Ｓ１０３）。

同期確立が完了すると、無線基地局１０は移動局１００とＴＣＨによりＯＦＤＭ信号の送受信を行う（Ｓ１０４，Ｓ１０５）。ここで、無線基地局１０と移動局１００との通信が継続される場合には（Ｓ１０６：Ｙ）、無線基地局１０は移動局１００により送信されたＯＦＤＭ信号をアダプティブアレイアンテナ２０で受信した際の入力に基づいて、移動局１００により送信される所望波に対する干渉波が到来する方向にヌルを形成するような指向性パターンを形成する（Ｓ１０７）。そして、所望波と干渉波との干渉レベルを測定し（Ｓ１０８）、干渉が抑制された状態にある場合には、ＴＣＨのガードインターバル長を、ＣＣＨのガードインターバル長よりも短縮した長さに変更する（Ｓ１０９）。そして、変更したＧＩ長により構成したＯＦＤＭ信号により、処理Ｓ１０４に戻って、移動局１００との通信を行う。

また、処理Ｓ１０６において、無線基地局１０移動局１００との通信が継続されないと判断される場合には（Ｓ１０６：Ｎ）、無線基地局１０は移動局１００との通信を終了させて、処理を終える。

以上説明した本発明の実施の形態に係る無線基地局によれば、ＯＦＤＭ方式による通信において、通信品質を劣化させずに通信レートが向上するように、通信チャネル（ＴＣＨ）のガードインターバル長（ＧＩ長）を適正な長さに変更することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

本実施形態においては、所望波と干渉波との干渉レベルを予め定められた閾値と比較した結果に基づいてガードインターバルを短縮することとしているが、これに限られるものではない。例えば、干渉レベルを多段階からなる範囲に分けて各々に対応するガードインターバル長を設定してメモリに格納し、測定した干渉レベルに対応するガードインターバル長をメモリから読み込むようにしてもよい。

移動局が制御チャネルを用いて、無線基地局にリンク確立を要求する通信を示した図である。 ＯＦＤＭ信号の伝送単位を説明する図である。 移動局が割り当てられた通信チャネルを用いて、無線基地局と通信している状況を示した図である。 無線基地局の構成図である。 変調部の構成図である。 制御チャネルの伝送シンボルと、干渉が抑制された環境における通信チャネルの伝送シンボルを比較した図である。 無線基地局の通信処理時のフロー図である。

符号の説明

１ セル、１０ 無線基地局、２０ アダプティブアレイアンテナ、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ アンテナ素子、２１ アンテナ切替部、２２ 受信部、２４ 復調部、２６ アダプティブアレイ制御部、２８ 干渉レベル測定部、３０ 変調部、３２ 送信部、３４ 受信データ、３６ 送信データ、４０ ＧＩ長決定部、４２ 直並列変換部、４４ 逆フーリエ変換部、４６ 並直列変換部、４８ ＧＩ付加部、５０ 補間フィルタ、５２ 直交変調部、１００ 移動局、Ａ，Ｂ 障害物。

Claims (3)

1. データ信号を伝送する有効期間と、前記有効期間に伝送されるデータ信号に基づく冗長データを伝送する冗長期間とを含む信号を伝送単位として、移動局と直交周波数分割多重方式による通信を行う、アダプティブアレイアンテナを備える無線基地局であって、
   前記移動局それぞれに割り当てた通信チャネルで、信号を送受信する際のウェイトを算出する算出手段と、
   前記算出手段により算出されたウェイトを用いて、前記移動局から送信される信号の干渉波の到来方向にヌルを向け、前記移動局により送信される信号の干渉を抑制するための指向性パターンを形成する形成手段と、
   前記形成手段による指向性パターン形成時に前記移動局から受信した信号の干渉レベルを計測する干渉レベル計測手段と、
   前記干渉レベル計測手段により計測された干渉レベルに従って、前記移動局に割り当てた前記通信チャネルにおいて伝送される信号の前記冗長期間の長さを変更する変更手段と、
   を含むことを特徴とする無線基地局。
2. 請求項１に記載の無線基地局であって、
   前記直交周波数分割多重方式による通信を行う各移動局に共通の制御チャネルを用いて制御信号を通信する手段をさらに含み、
   前記変更手段は、
   前記移動局に割り当てた通信チャネルにおいて伝送される信号の前記冗長期間の長さを、前記制御チャネルにおいて伝送される信号の前記冗長期間の長さよりも短縮したものに変更する、
   ことを特徴とする無線基地局。
3. データ信号を伝送する有効期間と、前記有効期間に伝送されるデータ信号に基づく冗長データを伝送する冗長期間とを含む信号を伝送単位として、移動局と直交周波数分割多重方式による通信を行う、アダプティブアレイアンテナを備える無線基地局の制御方法であって、
   前記移動局それぞれに割り当てた通信チャネルで、信号を送受信する際のウェイトを算出する算出ステップと、
   前記算出ステップにより算出されたウェイトを用いて、前記移動局から送信される信号の干渉波の到来方向にヌルを向け、前記移動局により送信される信号の干渉を抑制するための指向性パターンを形成する形成ステップと、
   前記形成ステップによる指向性パターン形成時に前記移動局から受信した信号の干渉レベルを計測する干渉レベル計測ステップと、
   前記干渉レベル計測ステップによりそれぞれ計測された干渉レベルに従って、前記移動局に割り当てた前記通信チャネルにおいて伝送される信号の前記冗長期間の長さを変更する変更ステップと、
   を含むことを特徴とする無線基地局の制御方法。

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