JP3798549B2

JP3798549B2 - 無線基地局のマルチビームアンテナシステム

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Publication number: JP3798549B2
Application number: JP6852498A
Authority: JP
Inventors: 良紀田中; 周磁小早川; 正文筒井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: GB2335572B; GB2335572A; JPH11266228A; GB9818750D0; US6347220B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はDS-CDMA方式の移動通信における無線基地局のマルチビームアンテナシステムに係わり、特に、複数のアンテナ素子で受信した信号に上りビームフォーミングを施して受信を行わせる上りビームフォーミング機能と、所定方向の送信ビームを形成するために送信信号に下りビームフォーミングを施す下りビームフォーミング機能を備えたマルチビームアンテナシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワイヤレスマルチメディア通信を実現する次世代の移動通信システムとして、DS-CDMA(Direct Sequence Code Division Multiple Access:直接拡散符号分割多元接続)技術を用いたディジタルセルラー無線通信システムの開発が進められている。DS-CDMAを用いた通信システムでは、各ユーザ間の干渉がセルのチャネル容量や伝送品質を劣化させる主な要因となっている。この干渉を低減し伝送品質を向上する技術としてマルチビームアンテナやアダプティブアレーアンテナの研究、開発が行なわれている。
【０００３】
マルチビームアンテナは、図１０に示すように複数の素子アンテナＡＴ₁〜ＡＴ_Nで構成されたアレーアンテナＡＡＴを用いて受信を行ない、ビームフォーマＢＭＦでアンテナ出力信号にビームフォーミングを施して複数の指向性のあるマルチビームＢ₁〜Ｂ_Mを電気的に形成する。かかるマルチビームアンテナシステムの各ビームは図１１に示すような指向特性を備えている。従って、例えば、ビーム２の指向方向に存在する第ｉユーザ（移動局）から放射された電波はアレーアンテナＡＡＴで受信され、ビームフォーマＢＭＦからビームＢ₁〜Ｂ_Mが出力するが、そのうちビームＢ₂の電力が他のビームＢ₁，Ｂ₃〜Ｂ_Mより大きくなる。以後、このビームＢ₂を用いて逆拡散してデータを復調する。このようにマルチビームアンテナによれば、各チャネル毎に最適なビームを選択して受信を行なうことにより、チャンネル間干渉の低減およびアンテナ利得向上による受信ＳＮ比の改善、端末送信電力の低減等の効果が得られる。
【０００４】
以上はアレーアンテナＡＡＴの複数のアンテナ素子ＡＴ₁〜ＡＴ_Nで受信した信号に上りの受信ビームフォーミングを施して複数の上り受信ビームＢ₁〜Ｂ_Mを電気的に形成する受信ビームフォーマの場合であるが、送信ビームフォーマを設けることもできる。すなわち、送信信号に下りの送信ビームフォーミングを施してアンテナ素子入力信号を発生し、これら信号を各アンテナ素子に入力することにより所定方向の指向性を有するビームを出力するように送信ビームフォーマを設けることもできる。
【０００５】
図１２は送受信マルチビームアンテナを用いた無線基地局の構成図である。図中、ＡＡＴ₁は受信側のアレーアンテナであり、複数のアンテナ素子ＡＴＲ₁〜ＡＴＲ_Nを有している。ＡＡＴ₂は送信側のアレーアンテナであり、複数のアンテナ素子ＡＴＴ₁〜ＡＴＴ_Nを有している。ＲＢＦはＮ個のアンテナ素子ＡＴＲ₁〜ＡＴＲ_Nで受信した信号に上りの受信ビームフォーミングを施してＭ本の上り受信ビームＢ₁〜Ｂ_Mを電気的に形成する受信ビームフォーマ、ＣＨＲ₁〜ＣＨＲ_Kはチャンネル（ユーザ、移動機）毎に設けられたチャンネル受信部であり、逆拡散回路、同期検波回路、データ識別回路等を備えており、それぞれに受信ビームフォーマＲＢＦの出力信号が入力されている。ＣＨＴ₁〜ＣＨＴ_Kはチャンネル毎に設けられたチャンネル送信部であり、拡散回路、直交変調回路等を備えており、それぞれに各チャンネルの送信データが入力されている。ＴＢＦはチャンネル送信部から出力する送信信号（送信ビーム）に下りの送信ビームフォーミングを施してアンテナ素子入力信号を発生する送信ビームフォーマであり、これらを各アンテナ素子に入力することにより所定方向の指向特性を有する送信ビームを出力できる。
【０００６】
受信ビームフォーマＲＢＦは図１３に示すように各アンテナ素子の出力信号ｘ₁〜ｘ_Nに重みＷ_k,i掛け合わせて位相回転を施し、これらを合成することによりそれぞれ所定の指向方向を有するＭ個の上り受信ビーム１〜Ｍを電気的に形成する。第ｉビーム（ｉ＝１〜Ｎ）の信号ｙ_i（ｎＴ_c）は、Ｎ本のアンテナ素子の受信信号をｘ₁（ｎＴ_c）、ビームフォーマの変換係数をＷ_k,iとすれば、
ｙ_i（ｎＴ_c）＝ΣＷ_k,i・ｘ_k（ｎＴ_c）（ｋ＝１〜Ｎ） (1)
となる。変換係数Ｗ_k,iを決定することにより、Ｍ本の各ビームの方向（指向方向）をアレーアンテナに設定できる。これにより、所定の第ｉ指向方向内のユーザ（移動局）からの送信信号は受信ビームフォーマＲＢＦの第ｉ指向方向に応じた端子たとえば第ｉ端子から得ることができる。
【０００７】
送信ビームフォーマＴＢＦは図１４に示すように、第ｉ入力端子に入力される送信信号（送信ビーム）ｙ_iをＮ分岐し、それぞれの分岐信号ｙ_iに重みＷ_k,i（ｋ＝１〜Ｎ）を掛け合わせて位相回転を施してＮ個の各送信アンテナ素子に入力する信号ｘ_k（ｋ＝１〜Ｎ）を発生する。この場合、ｘ_kは
ｘ_k＝Ｗ_k,i・ｙ_i (2)
となる。変換係数Ｗ_k,iを決定することによりＭ本の各ビームの方向（指向方向）をアレーアンテナに設定できる。これにより、第ｉ送信ビーム方向内のユーザ（移動局）に送信したい場合には送信信号ｙ_iを送信ビームフォーマＲＢＦの第ｉ入力端子に入力すればよい。
【０００８】
以上より、受信ビームフォーマＲＢＦで作成されるマルチビームと送信ビームフォーマＴＢＦで作成されるマルチビーム方向を一致させる。このようにすれば、第ｉビーム方向のユーザ（移動局）と通信するには、受信ビームフォーマＲＢＦの第ｉ出力端子から出力するビームを逆拡散してデータを復調し、データを送信するには送信ビームフォーマＴＢＦの第ｉ入力端子に送信信号を入力すればよい。具体的には、Ｎ本のアンテナ素子ＡＴＲ₁〜ＡＴＲ_Nからの受信信号ｘ₁（ｎＴ_c）（ｉ＝１〜Ｎ）を図示しない手段により増幅、検波、Ａ／Ｄ変換する。しかる後、受信ビームフォーマＲＢＦはＭ本のビームをディジタル的に形成する。すなわち、受信ビームフォーマＲＢＦは(1)式の変換により各ビームの信号ｙ_i（ｎＴ_c）を求める。ついで、形成した複数のビームについて各チャネル毎に逆拡散を行ない、逆拡散後の信号電力が最大のビームまたは逆拡散後のパイロット信号と参照信号との相関電力が最大のビームを選択して上りの受信を行なう。又、下り送信では、上りの受信時に選択したビームと同一方向となるように送信信号を送信ビームフォーマＴＢＦの第ｉ入力端子に入力する。これにより、送信アレーアンテナＡＡＴ２は第ｉビーム方向のユーザ（移動局）に向けて送信信号を放射する。
【０００９】
図１５はビームフォーマの別の例であり、周知のバトラーマトリクスの構成図（８ビームアンテナの場合）、図１６はバトラーマトリクスにより形成されるマルチビーム説明図である。
図１５において、ＴＢＦは送信ビームフォーマであり、２入力端子と２出力端子を持ったハイブリッド回路と位相を所定量だけ遅らせる移相器を組み合わせたものである。各入力端子１Ｒ〜４Ｒ，１Ｌ〜４Ｌは全ての放射素子ＡＴＴ１〜ＡＴＴ₈（＃１〜＃８）に繋がっている。この送信ビームフォーマＴＢＦにおいて、ＨＹＢはハイブリッド回路で、出力端子Ａ，Ｂの電力が等しく、出力端子Ｂの位相が出力端子Ａの位相よりπ／２（＝９０⁰）遅れるもの、丸付き数字は移相器で、数字がｍであれば（ｍπ／８）移送するものである。たとえば、ハイブリッド回路ＨＹＢに端子１Ｒから信号が入力すると、出力端子Ａ，Ｂでは電力が等しくなるが、位相がＢ端子では90°(π/2)だけ遅れる。
【００１０】
図１５において入力端子１Ｒからの入力信号に対して、各＃１〜＃８のアンテナ素子での移相量を算出する。ただし、結線用ケーブルの移相量は無視して考える。位相は＃１では5π/8、＃２では6π/8、＃３では7π/8、＃４では8π/8、＃５では9π/8、＃６では10π/8、＃７では11π/8、＃８では12π/8となり、＃１から＃８まで、π/8ずつ位相が遅れて給電される。
ところで、図１５の入力信号が給電される端子位置が変わると、各放射素子間に生じる位相差が大きくなり、アレーの正面方向から大きく外れた方向にビームが形成される。放射素子間の位相差を△Ψとし、素子間隔をdとすると、ビーム方向θは次式で表される。
d sinθ/λ=△Ψ/2π (3)
前述の入力端子１Ｒからの入力の場合、△Ψ=π/8であり、d=λ/2とすると、 sinθ=1/8となりθ≒7.2°となり、図１６の１Ｒの方向にビームが形成される。又、入力端子４Ｒからの入力においては△Ψ=7π/8となるため、sinθ=7/8となりθ≒61°となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
移動通信においても、音声通信のように常に情報が送信される通信形態の他に、パケットデータ通信のようにバースト的に送信が行なわれる通信形態がある。パケット通信では送信すべき情報が無い時、他局干渉低減のために何も送信しないのが普通である。無線基地局において、あるチャンネル（移動局）について上り受信信号が無いが下り送信信号がある場合がある。かかる場合、無線基地局は移動局より上り信号を受信してないため、移動局が現在どのビームエリアに存在するかが不明となり、下り送信ビームの指向方向を決定できない問題が生じる。すなわち、このような場合、下りビームフォーミングを行なうことが出来ない。以上より、データをバースト的に送出する形態を考慮して、従来は上り受信のみビームフォーミングを行い、下り送信のビームフォーミングを行わないようにしている。
【００１２】
図１７は上りビームフォーミングのみを行なう従来のチャネル送受信部の構成図（４ビームの場合）であり、ＡＡＴ₁は受信アレーアンテナ、ＡＴＲ₁〜ＡＴＲ₄はアンテナ素子、ＲＢＦは受信ビームフォーマ、ＡＴＴは送信アンテナ、ＴＲｉは第ｉチャンネルの送受信チャネル部、ＣＨＲｉは第ｉチャンネルのチャネル受信部、ＣＨＴｉは第ｉチャンネルのチャネル送信部である。尚、図示していないが受信系では受信ビームフォーマＲＢＦの前段に周波数変換、検波、ＡＤ変換する受信回路が設けられている。又、図示しないが送信系では送信アンテナの前にＤＡ変換、周波数変換、増幅する送信部が設けられている。
チャネル受信部ＣＨＲｉにおいて、１₁〜１₄は逆拡散回路であり、チャンネルに割り当てた拡散符号を用いて受信ビームフォーマＲＢＦから出力するビーム１〜ビーム４に逆拡散処理を施すもの、２は最適なビーム（逆拡散信号）を選択するセレクタ、３は選択制御部であり、信号電力が最大のビーム、または受信パイロット信号と参照信号との相互相関電力が最大のビームを決定してセレクタ２に通知するもの、４はセレクタでセレクトされた逆拡散信号に同期検波を施す同期検波部、５は送信側で付加した誤り訂正符号を用いて誤り訂正する誤り訂正部、６は受信データの識別を行うデータ識別部である。チャネル送信部ＣＨＴｉにおいて、６は送信データに誤り訂正符号を付加する誤り訂正符号化部、７はＱＰＳＫ直交変調器などの変調器、８は移動機（チャンネル）に割り当てた拡散符号を用いて送信データを拡散して出力する拡散変調器である。
【００１３】
この送受信チャネル部によれば、上り受信のみビームフォーミングを行い、下り送信のビームフォーミングを行わない。
このように、従来の無線基地局では、バースト送信形態でない通常の通信形態においても送信ビームフォーミングをかけないため、上り信号が存在する場合にも下りビームフォーミングをかけれない。このため、下り通信時のチャンネル間干渉を低減できず、また、受信ＳＮ比の改善や端末送信電力の低減等を実現できない問題があった。
以上から、本発明の目的は、上り受信信号が存在する場合には下りビームフォーミングを行えるようにすることである。
本発明の別の目的は、基地局での下りビームフォーミングを上りの伝送情報の有無にかかわらず常に可能となるようにすることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理説明図である。
１１はＣＤＭＡ無線基地局、１２は移動局であり、無線基地局１１は移動局１２に所定の拡散符号を割り当てて通信を行う。無線基地局１１において、ＡＡＴ₁は受信側のアレーアンテナであり、複数のアンテナ素子ＡＴＲ₁〜ＡＴＲ_Nを有し、ＡＡＴ₂は送信側のアレーアンテナであり、複数のアンテナ素子ＡＴＴ₁〜ＡＴＴ_Nを有している。ＲＶＣ₁〜ＲＶＣ_Nは受信信号の高周波増幅、周波数変換、直交検波などを行う受信回路、ＳＤＣ₁〜ＳＤＣ_Nは周波数変換、高周波増幅などを行う送信回路である。ＲＢＦはＮ個のアンテナ素子ＡＴＲ₁〜ＡＴＲ_Nで受信した信号に上りの受信ビームフォーミングを施してＭ本の上り受信ビームＢ₁〜Ｂ_Mを電気的に形成する受信ビームフォーマ、ＴＢＦは送信信号（送信ビーム）に下りの送信ビームフォーミングを施してアンテナ素子入力信号を発生する送信ビームフォーマで、これら入力信号を各アンテナ素子に入力することにより所定方向の指向性を有する送信ビームを出力できる。
【００１５】
ＣＮＴは制御部であり、上り受信信号の有無を検出し、上り受信信号が有る場合は、上り受信ビームと同一方向の下り送信ビームを形成するように制御すると共に、一定時間経過しても上り受信信号が無い場合は下りビームフォーミングを行なわないように制御するもの、ＲＳＳは逆拡散回路、ＳＥＬ１は最大電力の逆拡散信号を選択するセレクタ、ＲＤＩは受信データ識別部であり、セレクタ出力に同期検波、誤り訂正処理、データ識別処理を施して受信データを出力するもの、ＳＤは送信データにＱＰＳＫ直交変調、拡散変調などを施す送信部、ＳＥＬ２は送信信号を制御部ＣＮＴからの指示により送信ビームフォーマＴＢＦの所定入力端子に入力するセレクタである。
アレーアンテナＡＡＴ₁，ＡＡＴ₂及び各ビームフォーマＲＢＦ，ＴＢＦは共に各チャンネルに共通に設けられる部分であり、受信ビームフォーマＲＢＦの出力端子は各チャンネル受信部に接続され、送信ビームフォーマＴＢＦの各入力端子は各チャンネル送信部に接続されている。
【００１６】
本発明では上り受信信号の有無に基づいて下りビームフォーミングを行なうか、行わないかのどちらかをダイナミックに選択している。すなわち、各通信チャネルにおいて、制御部ＣＮＴは上り受信信号が有るか否かをチェックし、有れば対応するチャネルの下りビームフォーミングを行なうよう制御し、一方、上り受信信号が来なくなった時点から一定時間経過しても上り信号が無ければ、下りビームフォーミングを行わないように制御する。具体的に、送信ビームフォーマＴＢＦは送信ビーム方向に応じた複数の入力端子を備えている。制御部ＣＮＴは下りビームフォーミングを行なう場合は、上り受信ビーム方向に応じた送信ビームフォーマＴＢＦの入力端子に送信信号を入力し、下りビームフォーミングを行わず無指向性の送信をする場合は、送信信号を複数に分岐して送信ビームフォーマＴＢＦの各入力端子に入力する。
以上のようにすれば、下り送信ビームフォーミングを上り受信信号の有無に応じてオン／オフ制御するから、パケット通信のようなバーストデータ伝送時でも上り信号が有る場合は、下りビームフォーミングを行えるため下りの伝送品質の向上が可能となる。
【００１７】
又、送信信号をｎ分岐して送信ビームフォーマの各入力端子に入力して下りビームフォーミングを行なわない場合、分岐信号の送信電力をα／ｎ（α＞１）として送信信号電力の１／ｎ以上にする。下りビームフォーミングを行なわないと、下りの伝送品質が低下するが下りの送信電力をある程度増加させることにより、この劣化を補償できる。但し、あるチャネルの送信電力を増加させると他のチャネルへの干渉が増大するため、電力増加量には制限がある。
又、受信ビームフォーマＲＢＦから出力される複数の上り受信ビームのうち最大電力の上り受信ビームに応じた逆拡散信号を用いて受信データを復調する。このようにすれば、チャンネル干渉を軽減して伝送品質良好な通信ができる。又、各チャネルの下り送信ビームの指向方向を、該チャンネルの信号電力が最大となる上り受信ビームと同一方向とする。このようにすれば上り／下りの両方のチャンネルでチャンネル干渉を軽減して伝送品質を向上できる。
【００１８】
また、移動局１２側では上りの送信情報が無い場合でも、一定の時間間隔でパイロット信号を送信する。これにより、無線基地局１１は上り送信情報の有無に関係なく下り送信ビームフォーミングを行って下り伝送品質の向上をはかることができる。この場合、移動局１２のパイロット信号送信間隔を移動局の移動速度に応じて可変とすることにより、移動局が静止もしくは移動速度が低い場合には、上りパイロット信号の送信頻度を低く抑えることができる。
又、移動局１２は上りの送信を停止している期間中に、下り受信信号の伝送品質低下を検出すれば上りパイロット信号を送信する。これにより、無線基地局１１は上り送信情報の有無に関係なく下り送信ビームフォーミングを行って下り伝送品質の向上をはかることができ、下り受信品質を回復させることができる。又、移動局１２はパイロットの送信頻度を低く抑えることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（Ａ）第１実施例
（ａ）無線基地局の構成
図２は本発明の無線基地局のマルチビームアンテナシステムの構成図であり、図１と同一部分には同一符号を付している。なお、図２では１つの送受信チャネル部ＢＲＳのみ示しているが、受信側には図１で示したアレーアンテナＡＡＴ₁及び受信ビームフォーマＲＢＦが設けられ、この受信ビームフォーマ出力Ｂ₁〜Ｂ₄が図２の逆拡散部に入力するようになっている。又、送信側には図１で示したアレーアンテナＡＡＴ₂及び送信ビームフォーマＴＢＦが設けられ、送信ビームフォーマＴＢＦの所定入力端子に図２の送信信号が入力されるようになっている。
【００２０】
基地局の送受信チャネル部ＢＲＳにおいて、ＲＳＳ１〜ＲＳＳ４は受信ビームフォーマＲＢＦから出力される４つの上り受信ビームＢ₁〜Ｂ₄が入力される逆拡散回路であり、チャネルに割り当てた拡散符号を用いて各ビームＢ₁〜Ｂ₄に逆拡散処理を施して逆拡散信号（Ｉ，Ｑ信号）を出力する。ＣＮＴは選択制御部であり、(1) ４つの逆拡散信号のうち最大電力の信号を検出する処理、(2) 上り信号の有無を検出する処理、(3) 検出結果に基づいたビーム選択制御および下りビームフォーミングのオン/オフ制御などを行う。ＳＥＬ１はセレクタで、選択制御部ＣＮＴから通知される最大電力のビーム（逆拡散信号）を選択して受信データ識別部ＲＤＩに出力するものである。受信データ識別部ＲＤＩにおいて、ＳＤＭは逆拡散信号（Ｉ，Ｑ信号）を入力されて同期検波を行う同期検波部、ＥＣＣは復調された受信データに誤り訂正処理を施す誤り訂正部、ＤＴＤはデータ識別部である。
【００２１】
同期検波部ＳＤＭはパイロット信号を検出し、該パイロット信号と既知のパイロット信号間の位相差を求め、該位相差分、逆拡散されたＩ，Ｑ信号の位相を元に戻すものである。ＣＤＭＡ通信においては、精度の高いデータ復調を行うために所定データ数毎にパイロット信号が挿入されている。すなわち、移動局１２は、図３に示すように送信データＤを所定ビット数毎にブロック化し、その前後に既知のパイロット信号Ｐを挿入してフレーム化し、しかる後、フレームデータ列をＩ，Ｑデータ列に変換し、それぞれをＱＰＳＫ変調及び拡散変調を行って送信する。データ及びパイロットはそれぞれＩ，Ｑの２ビットで１つのシンボルを形成し、このシンボルはI-Q複素平面で表記するとI+jQ＝(I²+Q²)^1/2exp(jθ)となる。データシンボル及びパイロットシンボルは伝送により位相回転を受けるが、無線基地局１１においてその信号点位置ベクトルＰ_ACT（図４参照）がわかればパイロットシンボルの理想信号点位置ベクトルＰ_IDLが既知であるから、伝送によるシンボルの位相回転角度θが求まる。そこで、同期検波部ＳＤＭはパイロットシンボルを検出してその位相回転角度θを演算し、各データシンボルに回転角度−θ分の回転処理を施して元に戻して受信データの”１”，”０”を判定する。これにより、精度の高いデータ復調が可能になる。
【００２２】
ＳＤは送信部であり、ＥＣＡは送信データにエラー訂正符号を付加する誤り訂正符号化部、ＭＯＤは送信データを変調する変調器、ＳＳＭは該当チャネルに割り当てられた拡散符号で変調器出力を拡散変調する拡散変調器、ＳＥＬ２はセレクタであり、選択制御部ＣＮＴからの指示に従って拡散変調器ＳＳＭより出力する送信信号を送信ビームフォーマＴＢＦ（図１参照）のいずれかの入力端子に入力するものである。ＡＭＰはゲインがα／４（α＞１）のアンプである。
【００２３】
（ｂ）動作
送信ビームフォーマＴＢＦ（図１）は、送信ビームの方向に応じた複数の入力端子を備えている。すなわち、送信信号を第ｉ入力端子に入力すれば、送信アレーアンテナＡＡＴ２は第ｉ入力端子に応じたビーム方向に送信信号を出力する。又、送信ビームフォーマＴＢＦの全入力端子に送信信号を入力すれば、送信アレーアンテナＡＴＴ２は無指向で送信信号を出力する。更に、受信信号が最大のビーム方向にユーザ(移動局)が存在するから、送信ビームを電力最大の上り受信ビームの方向と同一にして出力すればゲインを高め伝送品質を向上できる。
【００２４】
以上より、制御部ＣＮＴは、セレクタＳＥＬ２を制御して、(1) 下りビームフォーミングを行なう場合は、電力最大の上り受信ビームと同一方向に対応する送信ビームフォーマＴＢＦの入力端子に送信信号を入力し、(2) 下りビームフォーミングを行わず無指向性の送信をする場合は、送信信号電力を１／ｎ（図ではｎ＝４）づつｎ分岐して送信ビームフォーマＴＢＦの各入力端子に入力し、トータルの送信電力を同じにする。この場合、分岐信号の送信信号電力をα／ｎ（α＞１）にし、送信信号電力を大きくすれば伝送品質を向上できる。これは、下りビームフォーミングを行なわないと、下りの伝送品質が低下するが下りの送信電力をある程度増加させることにより、この劣化を補償できるからである。但し、あるチャネルの送信電力を増加させると他のチャネルへの干渉が増大するため、電力増加量には制限がある。
【００２５】
以上より、選択制御部ＣＮＴは、上り受信信号が存在するか否かを検出し、上り信号が存在する場合には電力最大のビーム（逆拡散信号）を検出してセレクタＳＥＬ１，ＳＥＬ２に入力する。これによりセレクタＳＥＬ１は電力最大の逆拡散信号を選択し、受信データ識別部ＲＤＩは該逆拡散信号を用いて受信データを識別出力する。又、セレクタＳＥＬ２は電力最大の上り受信ビーム方向に対応する送信ビームフォーマＴＢＦの入力端子に送信部ＳＤの出力信号を入力する。この結果、下り方向の送信データが存在する場合には、上り受信ビームと同一の方向に向けて送信信号（送信ビーム）がアレーアンテナＡＴＴ２より放射する。
一方、選択制御部ＣＮＴは、上り受信信号が所定時間以上継続して存在しなければ、移動機（ユーザ）の所在方向が不明であるから、無指向送信をセレクタＳＥＬ２に指示する。これにより、セレクタＳＥＬ２は送信部ＳＤの出力信号をゲインα／４のアンプＡＭＰを介して４分岐して送信ビームフォーマＴＢＦの全入力端子に入力する。この結果、上り受信信号がないときに下り方向の送信データが存在する場合には、無指向で送信信号がアレーアンテナＡＴＴ２より放射する。
【００２６】
（ｃ）選択制御部
(c-1) 選択制御部の第１の実施例
図５は選択制御部の第１の構成図であり、ＣＮＴは選択制御部、ＳＥＬ１はセレクタである。選択制御部ＣＮＴにおいて、ＰＣ１〜ＰＣ４は逆拡散回路ＲＳＳ１〜ＲＳＳ４より出力する逆拡散信号の電力を計算する電力計算部、ＰＭＡＸは最も電力が大きなビーム（逆拡散信号）を決定してセレクタＳＥＬ１，ＳＥＬ２に入力する最大電力ビーム決定部、ＵＳＤは上り受信信号が所定時間以上継続して存在しないことを検出する上り信号有無検出部であり、全ビーム（逆拡散信号）の電力が所定時間Ｔｓ以上継続して設定値以下であることで上り信号無しと判定し、任意のビーム（逆拡散信号）の電力が設定値以上になれば上り信号有りと判定する。
【００２７】
上記時間Ｔsは厳密には移動局が現ビームエリアから別のビームリアに移動するまでの時間であり、上り受信信号が来なくなった時点から該時間Ｔｓ〔sec〕経過しても上り信号が無かった場合に下りビームフォーミングをやめる。この時間Ｔｓとして移動局の移動による受信信号の平均的な到来方向の変化量が許容範囲Δθを超える時間を用いることができる。これは移動局の移動速度と、基地局からの距離によって決まる。基地局からr〔m〕の距離にある移動局が接線方向に時速v〔km/h〕で移動した場合に到来角度が許容範囲△θ〔度〕変化する時間Ｔｓ〔sec〕は次式で与えられる。
Ts=3.6rπΔθ/180v
例として、v=80km/h, r=50m, △θ=3度の場合、Ts=118msとなる。しかし、時間Ｔｓは、上式より明らかなように移動局の速度、基地局からの距離、移動方向により変化する。このため、Ｔｓは厳密に決定できず適当な時間が設定される。
【００２８】
さて、逆拡散回路ＲＳＳ１〜ＲＳＳ４から電力計算部ＰＣ１〜ＰＣ４に逆拡散により得られたＩ信号（In-Phase 信号)、Ｑ信号(Quadrature 信号)が入力する。Ｉ，Ｑ信号をI-Q複素平面で表記するとI+jQ＝(I²+Q²)^1/2exp(jθ)となる。従って、各電力計算部ＰＣ１〜ＰＣ４は、乗算部ＭＰで(I+jQ)とその複素共役(I-jQ)を掛け合わせ、しかる後、平均値回路ＡＶＲで平均化することにより電力(I²+Q²)を計算し、該電力を最大電力ビーム決定部ＰＭＡＸに入力する。
以上では、全ビーム（逆拡散信号）の電力が所定時間Ｔｓ以上継続して設定値以下であることにより、上り信号無しと判定したが、誤り訂正部ＥＣＣ（図２参照）における誤り検出量が設定値以上になった時に移動局が別のビームエリアに移動したものとして下りビームフォーミングを停止するように制御することもできる。
【００２９】
(c-2) 選択制御部の第２の実施例
図６は選択制御部の第２の構成図であり、ＣＮＴは選択制御部、ＳＥＬ１はセレクタである。選択制御部ＣＮＴにおいて、ＣＲ１〜ＣＲ４は逆拡散回路ＲＳＳ１〜ＲＳＳ４より出力する逆拡散信号に含まれるパイロット信号と参照信号との相互相関電力（相互相関値）を計算する相関演算部、ＣＲＭＡＸは最も相互相関電力が大きなビーム（逆拡散信号）を決定してセレクタＳＥＬ１，ＳＥＬ２に入力する最大相関ビーム決定部、ＵＳＤは上り受信信号が所定時間以上継続して存在しないことを検出する上り信号有無検出部であり、全ビーム（逆拡散信号）の相互相関電力が所定時間以上継続して設定値以下であることで上り信号無しと判定し、任意のビーム（逆拡散信号）の相互相関電力が設定値以上になれば上り信号有りと判定する。
【００３０】
アレーアンテナシステムでは、受信ビームフォーマＲＢＦから出力するビームのうち移動局１2が存在する方向のビームに含まれるパイロットシンボルの位相が既知のパイロットシンボルの位相に最も近く、これら両パイロットシンボルの相互相関電力が最大になる。そこで、各相関演算部ＣＲ１〜ＣＲ４は、パイロット抽出部ＰＬＥで受信パイロットシンボル(I′+jQ′)を抽出し、乗算部ＭＰＬで該受信パイロットシンボル(I′+jQ′)と既知のパイロットシンボルの複素共役(I-jQ)を掛け合わせて相関演算し、しかる後、絶対値回路ＡＢＬで乗算結果の絶対値を演算し、平均値回路ＡＶＲで平均化する。以上により、相関演算部ＣＲ１〜ＣＲ４は相互相関電力を計算して最大相関ビーム決定部ＣＲＭＡＸに入力する。最大相関ビーム決定部ＣＲＭＡＸは最大の相互相関電力の逆拡散信号を決定してセレクタＳＥ１，ＳＥ２に通知する。尚、パイロットシンボルの相互相関電力が最大のビームは、当然信号電力も最大になり、第１実施例のと同一の結果得られる。
【００３１】
（Ｂ）第２実施例
第１実施例では、移動局からの上り受信信号の有無に基づいて、下り送信ビームフォーミングを行うか否かを制御する。従って、第１実施例では上り受信信号がない場合は下り信号にビームフォーミングを掛けて送信することができない。第２実施例では、通信中において上り方向に送信すべき情報が無くなった場合、移動局はデータ送信を停止するが一定時間間隔でパイロット信号を送信することにより、無線基地局が上り受信信号の有無に関係なく下り信号にビームフォーミングを掛けれるようにする。
【００３２】
（ａ）移動局
図７はかかる第２実施例における移動局の構成図である。受信系において、２１は受信アンテナ、２２は高周波増幅、周波数変換、ＡＤ変換などを行う受信部、２３は基地局から指示された拡散符号を用いて受信信号に逆拡散を施す逆拡散部、２４は受信データをＱＰＳＫ復調する復調部である。又、送信系において、２５はデータフレーム（図５参照）の前後にパイロット信号を挿入する制御を行うパイロット信号送信制御部、２６はパイロット信号送信制御部から指示されたタイミングで既知のパイロット信号を発生するパイロット信号発生部、２７はデータ列にパイロットを挿入する合成部、２８は合成部から出力する送信データをＱＰＳＫ変調する変調器、２９は基地局から指示された拡散符号を用いて送信データ列に拡散変調を施す拡散変調部、３０は拡散変調信号に対して周波数変換、高周波増幅などを行う送信部、３１は送信アンテナである。
【００３３】
（ｂ）動作
移動局１２は無線基地局１１と通信中において（コネクションが張られている状態において）、上り方向に送信すべき情報が無くなるとデータ送信を停止する。かかるデータ送信停止状態になっても、パイロット信号送信制御部２５は本来の送信周期あるいはそれより長い周期でパイロット信号を送信するよう制御する。この結果、無線基地局１１は該パイロット信号により上り受信信号有りと判定して下りビームフォーミングを行う。ただし、無線基地局１１は選択制御部ＣＮＴとして図６の構成を有しているものとする。
以上より、無線基地局１１は上り受信信号の有無に関係なく下り送信ビームフォーミングを行って下り伝送品質の向上をはかることができる。従って、無線基地局１１において、送信ビームフォーミングを行わず無指向性の送信を行うための手段は不要になる。
【００３４】
（ｃ）第１の変形例
図８は第２実施例の移動局の変形例であり、図７の移動局と同一部分には同一符号を付している。異なる点は、(1) 移動局１２の移動速度を検出する速度センサー３２を設けた点、(2) データ送信停止状態になった時、パイロット信号送信制御部２５が移動速度に応じてパイロットを送信する周期を制御する点である。移動速度が遅い場合、移動局１２が現ビームエリアから外れるまでに要する時間は長くなり、移動速度が早い場合、現ビームエリアから外れるまでに要する時間は短くなる。そこで、パイロット信号送信制御部２５は、パイロット信号送信周期を移動速度が遅い場合には長くし、移動速度が早い場合には短くする。
このように移動局１２のパイロット信号送信間隔を該移動局の移動速度に応じて可変とすることにより、移動局が静止もしくは移動速度が低い場合、上りパイロット信号の送信頻度を低く抑えることができる。
【００３５】
（ｄ）第２の変形例
図９は第２実施例の別の変形例であり、図７の移動局と同一部分には同一符号を付している。異なる点は、(1) 復調部２４の出力側に例えばＣＲＣ誤りを検出する誤り検出部３３を設けた点、(2) 誤り検出部３３から誤り検出率あるいは誤り検出回数をパイロット信号送信制御部２５に入力する点、(3) パイロット信号送信制御部２５はデータ送信停止状態になるとパイロットの送信を停止する点、(4) パイロット信号送信制御部２５はデータ送信停止状態において、受信データの誤り検出率が設定値以上になると、誤り検出率が改善されるようにパイロット信号を送信する点である。尚、無線基地局１１は上り受信信号の有無に基づいて下りビームフォーミングを行うか否かを制御する第１実施例の構成を有し、しかも選択制御部ＣＮＴとして図６の構成を有しているものとする。
【００３６】
パイロット信号送信制御部２５は、移動局１２がデータ送信状態にあればデータフレームの前後にパイロット信号を挿入して送信する。しかし、送信すべき上りデータがなくなってデータ送信停止状態になると、パイロット信号送信制御部２５はパイロット信号の送信を停止する。この結果、基地局１１は上り受信信号の無しを所定時間以上検出することになる。
基地局１１は上り受信信号の無しを所定時間以上検出すると下りビームフォーミングを行わず下り信号を無指向で送信する。このため、ゲインが低下し、かつ、他チャンネルの干渉を受けて、移動局１２における誤り検出回数が増加する。このため、誤り検出部３３からパイロット信号送信制御部２５へ通知される誤り検出率が設定値以上になる。
誤り検出率が設定値以上になると。パイロット信号送信制御部２５は所定の周期でパイロット信号を送信する。この結果、無線基地局１１はパイロット信号により最大電力のビームを検出して移動局が所在するビーム方向を識別し、下りビームフォーミングを行って該ビーム方向に送信ビームを出力する。以後、移動局１２は正しくデータを受信でき、誤り検出率が低下し、パイロット信号送信制御部２５はパイロット信号の送信を停止する。
【００３７】
（ｅ）第３変形例
第２変形例では、基地局１１がパイロット信号により上り受信信号の有無に基づいて下りビームフォーミングを行うか否かを制御する場合であるが、基地局１１は上り受信信号の有無に関係なく下りビームフォーミングを行うようにすることもできる。かかる場合の動作は以下のようになる。尚、移動局の構成は第２変形例と同じである。
パイロット信号送信制御部２５は、移動局１２がデータ送信状態にあればデータフレームの前後にパイロット信号を挿入して送信する。しかし、送信すべき上りデータがなくなってデータ送信停止状態になると、パイロット信号送信制御部２５はパイロット信号の発生を停止する。この結果、基地局１１は上り受信信号を検出できなくなる。以後、基地局１１はそれまでの電力最大のビーム方向に下りビームフォーミングを行って送信ビームを出力する。
【００３８】
移動局１２が移動してそれまでのビームエリアから外れると、移動局１２において誤り検出回数が増加する。このため、誤り検出部３３からパイロット信号送信制御部２５へ通知される誤り検出率が設定値以上になる。誤り検出率が設定値以上になると。パイロット信号送信制御部２５は所定の周期でパイロット信号を送信する。この結果、無線基地局１１はパイロット信号を用いて最大電力のビームを検出して移動局が所在するビーム方向を識別し、下りビームフォーミングにより該ビーム方向に送信ビームを出力する。この結果、以後、移動局１２は正しくデータを受信でき、誤り検出率が低下し、パイロット信号送信制御部２５はパイロット信号の送信を停止する。以後、上記動作を繰り返す。
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は請求の範囲に記載した本発明の主旨に従い種々の変形が可能であり、本発明はこれらを排除するものではない。
【００３９】
【発明の効果】
以上本発明によれば、上り受信信号が有れば対応するチャネルの下りビームフォーミングを行なうように制御し、上り受信信号が一定時間継続して無ければ、下りビームフォーミングを行わないように制御したから、パケット通信のようなバーストデータ伝送時でも上り信号が有る場合は、下りビームフォーミングを行えるため下りの伝送品質の向上が可能である。
又、本発明によれば、送信信号をｎ分岐して送信ビームフォーマの各入力端子に入力して下りビームフォーミングを行なわないようにすると共に、各分岐信号の送信電力をα／ｎ（α＞１）としたから、下りビームフォーミングを行なわない場合であっても下りの伝送品質の劣化を補償できる。
又、本発明によれば、受信ビームフォーマから出力される複数の上り受信ビームのうち最大電力の上り受信ビームに応じた逆拡散信号を用いて受信データを再生出力するようにしたから、チャンネル干渉を軽減して伝送品質良好な通信ができる。
【００４０】
又、本発明によれば、下り送信ビームの指向方向を、信号電力が最大の上り受信ビームと同一方向とするようにしたから、上り／下りの両方でチャンネル干渉を軽減して伝送品質を向上できる。
又、本発明によれば、移動局側では上りの送信情報が無い場合でも、一定の時間間隔でパイロット信号を送信するようにしたから、無線基地局は上り送信情報の有無に関係なく下り送信ビームフォーミングを行って下り伝送品質の向上を図ることができる。この場合、移動局のパイロット信号送信間隔を移動局の移動速度に応じて可変とすることにより、移動局が静止もしくは移動速度が低い場合には、上りパイロット信号の送信頻度を低く抑えることができる。
又、本発明によれば、上りデータの送信停止期間中に下り受信信号の伝送品質が低下すると、移動局は上りパイロット信号を送信するようにしたから、無線基地局は上り送信情報の有無に関係なく下り送信ビームフォーミングを行って下り伝送品質の向上をはかることができ、又、移動局はパイロットの送信頻度を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】本発明を適用した第１実施例の基地局送受信チャネル部の構成図である。
【図３】フレーム説明図である。
【図４】パイロットシンボルの位相回転説明図である。
【図５】第１の選択制御部の構成図である。
【図６】第２の選択制御部の構成図である。
【図７】本発明を適用した第２実施例の移動局の構成図である。
【図８】第２実施例の移動局の変形例である。
【図９】第２実施例の移動局の別の変形例である。
【図１０】マルチビームアンテナの説明図である。
【図１１】マルチビームの配置図である。
【図１２】送受信マルチビームアンテナを用いた基地局の構成図である。
【図１３】受信ビームフォーマの構成図である。
【図１４】送信ビームフォーマの構成図である。
【図１５】バトラーマトリクスの構成図（８ビームアンテナ用）である。
【図１６】バトラーマトリクスによるマルチビームである。
【図１７】従来の基地局送受信チャネル部の構成図である。
【符号の説明】
１１・・ＣＤＭＡ無線基地局
１２・・移動局
ＡＡＴ₁・・受信側のアレーアンテナ
ＡＴＲ₁〜ＡＴＲ_N・・アンテナ素子
ＡＡＴ₂・・送信側のアレーアンテナ
ＡＴＴ₁〜ＡＴＴ_N・・アンテナ素子
ＲＶＣ₁〜ＲＶＣ_N・・受信回路
ＳＤＣ₁〜ＳＤＣ_N・・送信回路
ＲＢＦ・・受信ビームフォーマ
ＴＢＦ・・送信ビームフォーマ
ＣＮＴ・・制御部
ＲＳＳ・・逆拡散回路
ＳＥＬ１・・セレクタ
ＲＤＩ・・受信データ識別部
ＳＤ・・送信部
ＳＥＬ２・・セレクタ

Claims

マルチビームアンテナシステムを備えた無線基地局と移動局間でＣＤＭＡ方式に従って通信する移動通信システムにおいて、
無線基地局は、
アレーアンテナの複数のアンテナ素子で受信した信号に上りビームフォーミングを施して複数の上りビームを電気的に形成する受信ビームフォーマ、
受信ビームフォーマから出力される複数の上り受信ビームに逆拡散を施し、信号電力最大の上り受信ビームの逆拡散信号を用いて受信データを識別して出力する受信データ識別部、
送信信号に所定方向のビーム形成のための下りビームフォーミングを施してアンテナ素子入力信号を発生する送信ビームフォーマ、
逆拡散信号に含まれるパイロット信号と参照信号との相関電力に基づいて上り受信信号の有無を検出し、上り受信信号が有る場合、前記上り受信ビーム方向と同一方向の下り送信ビームを形成するように制御する制御部を備え、
移動局は、
通信中において上り方向に送信すべき情報が無くなった場合、一定時間間隔でパイロット信号を送信する手段を備えたことを特徴とする移動通信システム。
移動局は、パイロット信号送信間隔を移動局の移動速度に応じて可変する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の移動通信システム。
マルチビームアンテナシステムを備えた無線基地局と移動局間でＣＤＭＡ方式に従って通信する移動通信システムにおいて、
無線基地局は、
アレーアンテナの複数のアンテナ素子で受信した信号に上りビームフォーミングを施して複数の上りビームを電気的に形成する受信ビームフォーマ、
受信ビームフォーマから出力される複数の上りビームに逆拡散を施し、所定の逆拡散信号を用いて受信データを復調する受信部、
送信信号に所定方向のビームを形成するための下りビームフォーミングを施してアンテナ素子入力信号を発生する送信ビームフォーマ、
逆拡散信号に含まれるパイロット信号と参照信号との相関電力に基づいて上り受信信号の有無を検出し、上り受信信号が有る場合、上り受信ビーム方向と同一方向の下り送信ビームが形成されるように制御し、一定時間上り受信信号が無い場合は下りビームフォーミングを行わないように制御する制御部を備え、
移動局は、
データ送信の停止期間中における下り受信信号の伝送品質を検出する伝送品質監視部、
伝送品質低下が検出されたとき上りパイロット信号の送信を行なう手段、を備えたことを特徴とする移動通信システム。