JP4203529B2 - 無線装置およびアンテナ指向性制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空間分割多重（ＳＤＭＡ；Spatial Division Multiple Access）方式の無線装置およびアンテナ指向性制御方法に関する。

従来のＳＤＭＡ無線通信システムは、無線基地局にアダプティブアレーアンテナ（以下、ＡＡＡ（Adaptive Array Antenna）という）を備え、ユーザ端末（以下、端末という）毎に指向性の異なる放射パターンの送信ビームを形成して同じ時間に複数の端末向けの電波を送信している。無線基地局は、ある端末の放射パターンを形成する際に、アダプティブビームフォーミング（AdaptiveBeam Forming）により送信相手の端末の方向に指向性を持たせ、かつ、アダプティブヌルスティアリング（Adaptive Null Steering）によりそれ以外の端末の方向にヌルを形成する。これにより、端末のＣＩＲ（Carrier to Interference Ratio）を一定値（例えば１５ｄＢ）以上に保って通話品質を確保しつつ、同じ通話チャネル（ＴＣＨ）を複数の端末に割当て、チャネルの利用効率を上げている。

一般的に、無線基地局において、複数端末へのアンテナ毎の送信出力信号Ｙ（ｔ）は、入力信号ベクトルＸ（ｔ）と送信重みベクトルＷｉｊの掛け算により、Ｙ（ｔ）＝Ｘ（ｔ）×Ｗｉｊのように表すことができる。送信重みベクトルＷは、重み係数Ｗｉｊ（ｊ＝１，２，３，・・・，ｎ）を要素とするベクトルである。
ここで、４本のアンテナからなる無線基地局において、２つのユーザ端末（以下、端末という）をＳＤＭＡ通信方式によって空間多重する場合について考える。なお、一方の端末に対する送信重みベクトルＷ１（ｗ１１，ｗ１２，ｗ１３，ｗ１４）、他方の端末に対する送信重みベクトルＷ２（ｗ２１，ｗ２２，ｗ２３，ｗ２４）とする。
各端末に対する重み係数は、ＡＡＡにおけるアルゴリズムでは式（１）で正規化される。

そして、送信重みベクトルがスケーリングされることにより、各アンテナからユーザ端末（以下、端末という）へ送信する電力が決定されるようになっている。スケーリングは、式（２）により行われる。

このようなスケーリングを行いつつ、複数のアンテナの指向性制御として、各端末からの受信信号強度に応じて、送信信号の指向性に加えて送信強度を制御する技術も報告されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３１６７６８２号公報

しかしながら、上記従来技術の場合、アンテナ毎の指向性を制御するが、各端末に対する送信電力の効率化、ＣＩＲの安定化に問題があった。 また、式（２）において、２つの端末に対する４本のアンテナ用の送信重みベクトルの比がＷ１（１／５，２／５，２／５，４／５）、Ｗ２（５／６，３／６，１／６，１／６）である場合、これをスケーリングすると、（１／９，２／９，２／９，４／９）、（５／１０，３／１０，１／１０，１／１０）で表される。各端末への送信電力は、Ｗの各成分の２乗の和に比例するので、各端末への送信電力は、端末毎に相当程度が異なることになる。これは、スケーリングの値が各端末ごとに異なることに起因する。このように異なるスケーリングファクタでスケーリングすると、ＳＤＭＡにより多重する端末間で送信重みベクトルのバランスが崩れる。この結果、端末毎にＣＩＲが変動してしまい、総合的な端末の通話品質が劣化するという問題がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ＳＤＭＡ通信方式において、各端末の送信重みベクトルを同じ値でスケーリングし、端末毎のＣＩＲの変動をなくし、且つ、各端末へ供給される電力を最大化することができる無線装置およびアンテナ指向性制御方法を提供することにある。

請求項１に記載の無線装置は、複数のアンテナからなるアレーアンテナと、前記アレーアンテナの指向性を制御するアダプティブビームフォーミングおよびアダプティブヌルスティアリングにより複数の端末毎に個別の放射パターンの送信ビームを形成する制御を行う制御手段とを備え、ＳＤＭＡ方式により前記各端末との間で無線通信する無線装置において、前記制御手段は、前記各端末のＣＩＲ（Carrier to Interference Ratio）値が当該各端末のＱＯＳ（Quality Of Service）を良好に保つために必要な値以上になるように、前記各アンテナに対応する重み係数からなる端末個別の送信重みベクトルを算出し、前記端末毎に、前記算出された送信重みベクトルに対して同じ値を乗算し（前記算出された送信重みベクトルを同じ値でスケーリングし）、前記乗算する値が、前記各端末の前記重み係数の絶対値を前記アンテナ毎に加算した加算値のうち、最大の値である、ことを特徴とする。

このように、各端末の重み係数からなる各端末の送信重みベクトルを同じ値でスケーリングすることにより、各端末のＣＩＲを全体として安定化させ、各端末毎のＣＩＲの変動をなくすことができる。これにより、ＳＤＭＡ通信方式で空間多重している複数の端末の通話品質を安定させることができる。

また、各端末の重み係数の絶対値をアンテナ毎に加算し、これら加算値のうち最大の値により各端末の送信重みベクトルをスケーリングすることにより、各端末のＣＩＲをより全体として安定化させることができる。

請求項２に記載のアンテナ指向性制御方法は、複数のアンテナからなるアレーアンテナを備え、前記アレーアンテナの指向性を制御するアダプティブビームフォーミングおよびアダプティブヌルスティアリングにより複数の端末毎に個別の放射パターンの送信ビームを形成してＳＤＭＡ方式により前記各端末との間で無線通信する無線装置におけるアンテナ指向性制御方法であって、前記各端末のＣＩＲ（Carrier to Interference Ratio）値が当該各端末のＱＯＳ（Quality Of Service）を良好に保つために必要な値以上になるように、前記各アンテナに対応する重み係数からなる端末個別の送信重みベクトルを算出する過程と、前記端末毎に、前記算出された送信重みベクトルに対して同じ値を乗算する過程と、を含み、前記乗算する値が、前記各端末の前記重み係数の絶対値を前記アンテナ毎に加算した加算値のうち、最大の値である、ことを特徴とする。

本発明によれば、各アンテナに対応する重み係数からなる端末個別の送信重みベクトルを算出し、各端末の重み係数の絶対値をアンテナ毎に加算し、これら加算値のうち最大の値により各端末の送信重みベクトルをスケーリングすることにより、ＣＩＲの変動をなくし、安定させることができる。また、端末へ供給される電力を最大化することができる。

以下、本発明の無線装置およびアンテナ指向性制御方法の好適な実施形態について図１を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る無線基地局装置（無線装置）１００の構成を示すブロック図である。この図１に示す無線基地局装置（以下、単に無線基地局という）１００は、端末との間でデジタル無線通信を行うＰＨＳ（登録商標）基地局である。なお、本実施の形態では、説明の便宜上、４本のアンテナで２台の端末とＳＤＭＡ方式で多重通信する場合を例に挙げて説明するが、３台以上の端末をＳＤＭＡ方式で多重通信する場合にも同様に適用可能である。

図１において、無線基地局１００は、４つのアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４からなるアレーアンテナを備え、これらアンテナＡＮＴ１〜４が送受信切り替えスイッチ２に接続されている。送受信切り替えスイッチ２は、これらアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４を時分割で制御して送信と受信との切り替え制御を行っている。無線部４は、第１〜第４の受信部６と、第１〜第４の送信部８とを備え、第１〜第４の受信部６はアンテナＡＮＴ１〜４に各々対応して設けられており、第１〜第４の送信部８はアンテナＡＮＴ１〜４に各々対応して設けられている。第１〜第４の受信部６および第１〜第４の送信部８は、送受信切り替えスイッチ２を介してそれぞれアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４に接続される。

受信部６は、不図示のローノイズ増幅器とダウンコンバータとＡ／Ｄコンバータから構成されている。また、受信部６は、変復調部１２に接続されている。受信部６では、自己に対応するアンテナで受信された信号がローノイズ増幅器を介してダウンコンバータに入力され、該ダウンコンバータ１８の出力がＡ／Ｄコンバータでデジタル化されて変復調部１２に出力される。

送信部８は、二つの乗算器＃１＿１０，＃２＿１０と、不図示のＤ／Ａコンバータとアッパコンバータと電力増幅器から構成されている。また、送信部８は、変復調部１２に接続されている。送信部８では、変復調部１２から入力される二つの重み係数（複素数）が乗算器＃１＿１０，＃２＿１０にそれぞれ設定される。乗算器＃１＿１０には、ＳＤＭＡ方式で多重通信する２台の端末のうち、一方の端末用の放射パターンを形成するための重み係数が設定される。乗算器＃１＿１０は、設定された重み係数と当該端末に送信するデータを複素乗算して出力する。同様に、乗算器＃２＿１０には、もう一方の端末用の放射パターンを形成するための重み係数が設定され、乗算器＃２＿１０は、設定された重み係数と当該端末に送信するデータを複素乗算して出力する。これら乗算器＃１＿１０，＃２＿１０の出力は合成された後、Ｄ／Ａコンバータによりアナログ化され、アッパコンバータと電力増幅器を介して、自己に対応するアンテナから送信される。

変復調部１２は、複数のＣＰＵから構成されており、送受信データの変復調およびデジタル信号処理による位相制御を行っている。具体的には以下の５つの制御を行う。

（１）第１〜第４の受信部６それぞれの最終段で変換されたディジタル信号を、例えばＤ／Ｕ（Desire／Undesire；希望波／妨害波）すなわちＣＩＲ値が最大となるように合成し復調する。

（２）アンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４での受信の各々の位相を算出して、送信時にはアンテナ端で同等の位相になるように制御する。これにより、通信を行う端末の方向に送信／受信とも指向性を持たせることができる。

（３）干渉波と遅延波の到来方向にヌル点を作ることによって抑圧する。

（４）４本のアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４に供給する信号の位相を制御することによって、任意の方向に指向性を持たせてビームを絞って送信することを可能とする。この位相制御は、上記第１〜第４の送信部８の乗算器＃１＿１０，＃２＿１０にそれぞれ重み係数を設定することで行う。上述したように、乗算器＃１＿１０にはＳＤＭＡ方式で多重通信する２台の端末のうち、一方の端末用の放射パターンを形成するための重み係数を設定し、乗算器＃２＿１０にはもう一方の端末用の放射パターンを形成するための重み係数を設定する。これにより、２台の端末に対して、各々異なる重み付けが成された放射パターンの送信ビームにより、同時にデータを送信することができる。さらに、その重み係数の設定により、各々の送信ビームの放射パターンの任意の方向にヌルを形成することができる。

（５）周囲の基地局や通話中、あるいはデータ（通信）のやりとりをしている端末以外の端末に対して、下り方向に与える干渉を減少させる。
この変復調部１２は制御部１４に接続されている。

制御部１４は、複数のＣＰＵから構成され、無線基地局１００全体の制御を行う。制御部１４は、送信時の放射パターンを形成するための重み係数と受信時の放射パターンを形成するための重み係数をそれぞれ算出する機能と、空間分割多重するチャネルを割当てる機能と、各端末からの受信信号係数ベクトル（Spatial Signature）を計算する機能と、その受信信号係数ベクトルの変化速度を計算する機能と、各端末からの受信強度（ＲＳＳＩ）を統計処理する機能と、スケーリングする機能などを有する。具体的には以下の５つの制御を行う。受信信号係数ベクトルは、端末の受信情報（振幅と位相）を表すものである。

（１）変復調部１２に対して必要なパラメータおよびタイミングを指示し、変復調部１２が受信したデータを処理する。このデータ受信処理において、受信エラーの検出を行う。また、空中に輻射すべき送信データを作成して変復調部１２に渡す。

（２）端末からの受信信号係数ベクトルの変化速度を計算する。

（３）端末からの上りの受信強度について、端末間の相関係数を統計処理する。

（４）空間分割多重した場合の呼のＱＯＳ（Quality Of Service）が、空間分割多重していない場合の呼のＱＯＳ相当になるように、空間分割多重するチャネルの割当てを行う。

（５）２台の端末に対して空間分割多重により同じ通話チャネルを使用して通話を確立する場合は、端末のＣＩＲ値が当該端末のＱＯＳを良好に保つために必要な値（例えば１５ｄＢ）以上になるように、各端末に対応する重み係数を計算する。

この制御部１４は回線インタフェース部１５に接続されている。
回線インタフェース部１６は、ＩＳＤＮ回線等のデジタル通信回線に接続され、これとのインタフェースの処理を実行する。
上記変復調部１２及び制御部１４によって、アダプティブビームフォーミング機能およびアダプティブヌルスティアリング機能が実現される。

次に、制御部１４による送信重みベクトルのスケーリングについて説明する。なお、ここでは４本のアンテナからなる無線基地局において、２つの端末をＳＤＭＡ通信方式によって空間多重する場合について考える。

制御部１４は、正規化された各端末の送信重みベクトルを、式（３）でスケーリングする。

例えば、式（３）において、４本のアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ４からの各端末に対する送信重みベクトルの比が１つの端末に対する送信重みベクトルＷ１（ｗ１１，ｗ１２，ｗ１３，ｗ１４）＝（１／５，２／５，２／５，４／５）、Ｗ２（ｗ２１，ｗ２２，ｗ２３，ｗ２４）＝（５／６，３／６，１／６，１／６）である場合、そのスケーリングファクターは「３０／３１」となる。これによりスケーリングすると送信重みベクトルＷ１の端末では（（３０／３１）・（１／５，２／５，２／５，４／５））、送信重みベクトルＷ２の端末では（（３０／３１）・（５／６，３／６，１／６，１／６））で表される。このように、各端末について同じ値（ここでは、「３０／３１」）でスケーリングすることにより、各端末への送信重みベクトルを同じ値でスケーリングしているので、結果として各端末のＣＩＲの変動をなくすことができ、且つ、各端末へ届く電力を最大化することができる。

ここで、本実施の形態のシミュレーションによるＣＩＲの変動について説明する。図２は、従来のスケーリングにおける各端末間のＣＩＲ差を、図３は本発明のスケーリングにおける各端末間のＣＩＲ差を示した図である。なお、各図において、縦軸は度数分布確率を、横軸は端末間のＣＩＲ差を表している。図２に示すように従来のスケーリングでは、端末同士にＣＩＲが＋／−５ｄＢの変動があることがわかる。一方、本発明によるスケーリングを行うと、図３に示すように０ｄＢに相当することになり、端末同士でＣＩＲの変動がないことがわかる。

このように、各アンテナに対応する重み係数からなる端末個別の送信重みベクトルを算出し、各端末の重み係数の絶対値をアンテナ毎に加算し、これら加算値のうち最大の値により各端末の送信重みベクトルをスケーリングすることにより、ＣＩＲの変動をなくし、安定させることができる。また、各端末に供給する電力を最大化することができる。これにより、ＳＤＭＡ通信方式で空間多重している複数の端末の通話品質を安定させることができる。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本実施の形態に係る無線基地局装置の構成を示したブロック図である。 従来のスケーリングにおける各端末間のＣＩＲ差を示した図である。 本発明のスケーリングにおける各端末間のＣＩＲ差を示した図である。

符号の説明

２：送受信切り替えスイッチ、 ４：無線部、
６：受信部、 ８：送信部、
１０：乗算器、 １２：変復調部、
１４：制御部、 １６：回線インタフェース部、
ＡＮＴ１〜ＡＮＴ４：アンテナ、 １００：無線基地局装置（無線装置）。

Claims (2)

1. 複数のアンテナからなるアレーアンテナと、前記アレーアンテナの指向性を制御するアダプティブビームフォーミングおよびアダプティブヌルスティアリングにより複数の端末毎に個別の放射パターンの送信ビームを形成する制御を行う制御手段とを備え、ＳＤＭＡ方式により前記各端末との間で無線通信する無線装置において、
   前記制御手段は、前記各端末のＣＩＲ（Carrier to Interference Ratio）値が当該各端末のＱＯＳ（Quality Of Service）を良好に保つために必要な値以上になるように、前記各アンテナに対応する重み係数からなる端末個別の送信重みベクトルを算出し、
   前記端末毎に、前記算出された送信重みベクトルに対して同じ値を乗算し、
   前記乗算する値が、前記各端末の前記重み係数の絶対値を前記アンテナ毎に加算した加算値のうち、最大の値である、ことを特徴とする無線装置。
2. 複数のアンテナからなるアレーアンテナを備え、前記アレーアンテナの指向性を制御するアダプティブビームフォーミングおよびアダプティブヌルスティアリングにより複数の端末毎に個別の放射パターンの送信ビームを形成してＳＤＭＡ方式により前記各端末との間で無線通信する無線装置におけるアンテナ指向性制御方法であって、
   前記各端末のＣＩＲ（Carrier to Interference Ratio）値が当該各端末のＱＯＳ（Quality Of Service）を良好に保つために必要な値以上になるように、前記各アンテナに対応する重み係数からなる端末個別の送信重みベクトルを算出する過程と、
   前記端末毎に、前記算出された送信重みベクトルに対して同じ値を乗算する過程と、を含み、
   前記乗算する値が、前記各端末の前記重み係数の絶対値を前記アンテナ毎に加算した加算値のうち、最大の値である、ことを特徴とするアンテナ指向性制御方法。

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