(57)【要約】【課題】見通し環境において、ピコセル間での無線の与被干渉を抑制しつつ周波数の棲み分けを行うことができる技術を提供すること。【解決手段】実施形態の基地局装置は、サービスエリアを構成する各セル内の複数の測定ポイントから送信されたトレーニング信号に基づいて、各測定ポイント方向に指向性を形成するための複素位相回転量を、前記複数のアンテナ素子で受信される信号の相関に基づいて算出する複素位相回転量算出部と、送信信号に対して、前記複素位相回転量算出部によって算出された測定ポイント毎の複素位相回転量の位相回転を与え、位相回転がなされた測定ポイント毎の送信信号を合成して送信する送信部と、前記複数のアンテナ素子によって受信された受信信号に対して、前記測定ポイント毎の複素位相回転量の位相回転を与えて合成することにより前記受信信号の送信元が送信した送信信号を復元する受信部と、を備える。【選択図】図５
2018019379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子を備える基地局装置と、１以上のアンテナ素子を備える無線局装置とを備え、前記基地局装置が、前記複数のアンテナ素子を用いて指向性を形成することによって前記無線局装置と通信する無線通信システムにおける前記基地局装置であって、
サービスエリアを構成する各セル内の複数の測定ポイントから送信されたトレーニング信号に基づいて、各測定ポイント方向に指向性を形成するためのアンテナ素子毎の複素位相回転量を、前記複数のアンテナ素子のうちの基準となるアンテナ素子とその他の前記複数のアンテナ素子のうちのひとつとで受信されるそれぞれの信号の相関に基づいて算出する複素位相回転量算出部と、
前記複数のアンテナ素子によって受信された受信信号に対して、前記測定ポイント毎の複素位相回転量の位相回転を受信アンテナ素子毎に与えた信号を合成することにより前記受信信号の送信元の前記無線局装置が送信した送信信号を該送信元の無線局装置が属する前記セル毎に信号分離し、セル毎に分離された該信号に基づき前記送信元の無線局装置が送信した信号を復元する受信部と、
を備える基地局装置。
【請求項２】
送信信号に対して、前記複素位相回転量算出部によって算出された前記セル毎且つ測定ポイント毎の複素位相回転量ないしは該複素位相回転量に所定のキャリブレーション処理を行った複素位相回転量の位相回転を測定ポイント毎且つアンテナ素子毎に与え、位相回転がなされた測定ポイント毎の送信信号をアンテナ素子毎に合成して送信する送信部をさらに備える、
請求項１に記載の基地局装置。
【請求項３】
複数のアンテナ素子を備える基地局装置と、１以上のアンテナ素子を備える無線局装置とを備え、前記基地局装置が、前記複数のアンテナ素子を用いて指向性を形成することによって前記無線局装置と通信する無線通信システムにおける前記基地局装置であって、
サービスエリアを構成する各セル内の複数の測定ポイントから送信されたトレーニング信号に基づいて、各測定ポイント方向に指向性を形成するための測定ポイント別受信ウエイトを、前記複数のアンテナ素子のうちの基準となるアンテナ素子とその他の前記複数のアンテナ素子のうちのひとつとで受信されるそれぞれの信号の相関に基づいて算出する測定ポイント別受信ウエイト算出部と、
該測定ポイント別受信ウエイト算出部が算出した同一セル内の複数の測定ポイント別受信ウエイトを加算し、当該セルに対する受信ウエイトを算出する受信ウエイト算出部と、
前記複数のアンテナ素子によって受信された受信信号又は該受信信号を周波数変換した信号に対し、これをサンプリングしたデジタル信号にサンプリングデータ単位で複数のアンテナ素子毎に前記受信ウエイトを乗算し、該乗算結果を複数のアンテナ素子に渡り加算合成することで、記受信信号の送信元の前記無線局装置が送信した送信信号を該送信元の無線局装置が属する前記セル毎に信号分離し、セル毎に分離された該信号に基づき前記送信元の無線局装置が送信した信号を復元する受信部と、
を備える基地局装置。
【請求項４】
前記セル毎の送信信号に対して、前記受信ウエイト算出部によって算出された受信ウエイトに所定のキャリブレーション処理を行った送信ウエイトをアンテナ素子毎に算出し、該送信ウエイトを送信信号にアンテナ素子毎に乗算して送信する送信部をさらに備える、
請求項３に記載の基地局装置。
【請求項５】
前記送信部は、送信対象のデジタル信号をアナログ信号に変換し、前記アナログ信号又は該アナログ信号を周波数変換した信号の何れかに対して前記測定ポイント毎且つアンテナ素子毎に前記複素位相回転量の位相回転を与え、
前記受信部は、アナログ信号である受信信号又は該アナログ信号を周波数変換した信号の何れかに対して前記測定ポイント毎且つアンテナ素子毎に前記複素位相回転量の位相回転を与える、
請求項１に記載の基地局装置。
【請求項６】
前記複数のアンテナ素子は、受信用のアンテナ素子群と、該受信用のアンテナ素子群と独立な送信用のアンテナ素子群とで構成され、
前記受信用のアンテナ素子は、前記受信部として機能する第１の回路に接続され、
前記送信用のアンテナ素子は、前記送信部として機能する第２の回路に接続される、
請求項１から４のいずれか一項に記載の基地局装置。
【請求項７】
前記複数のアンテナ素子は、送受信兼用のアンテナ素子であり、
前記複数のアンテナ素子は、前記受信部及び送信部として機能する第３の回路に接続され、
前記第３の回路は、受信部及び送信部としての動作を切り替えるスイッチを備え、
前記複素位相回転量算出部は、前記スイッチの切り替えによって前記第３の回路を前記受信部として機能させ、前記第３の回路によって前記送信元の送信信号を復元する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の基地局装置。
【請求項８】
複数のアンテナ素子を備える基地局装置と、１以上のアンテナ素子を備える無線局装置とを備え、前記基地局装置が、前記複数のアンテナ素子を用いて指向性を形成することによって前記無線局装置と通信する無線通信システムにおける前記基地局装置が行う送受信方法であって、
サービスエリアを構成する各セル内の複数の測定ポイントから送信されたトレーニング信号に基づいて、各測定ポイント方向に指向性を形成するためのアンテナ素子毎の複素位相回転量を、前記複数のアンテナ素子のうちの基準となるアンテナ素子とその他の前記複数のアンテナ素子のうちのひとつとで受信されるそれぞれの信号の相関に基づいて算出する複素位相回転量算出ステップと、
前記複数のアンテナ素子によって受信された受信信号に対して、前記測定ポイント毎の複素位相回転量の位相回転を受信アンテナ素子毎に与えた信号を合成することにより前記受信信号の送信元の前記無線局装置が送信した送信信号を該送信元の無線局装置が属する前記セル毎に信号分離し、セル毎に分離された該信号に基づき前記送信元の無線局装置が送信した信号を復元する受信ステップと、
を有する送受信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
２０２０年の東京オリンピックを控え、現在開発中の第５世代の移動体通信システムには数万人の観客を超密集状態で収容するスタジアムや展示会会場等の施設において快適な無線通信環境を整備することが求められている。現時点においても、観客席に多数のＷｉ−Ｆｉ（登録商標、以下同様）アクセスポイントを設置し、アクセスポイントを介してユーザが無料で無線ＬＡＮを利用できるサービスなどが展開されている。Ｗｉ−Ｆｉでは一般的に複数のチャネルが利用できるため、複数のアクセスポイントを密に設置しても、ある程度は周波数を棲み分けることができる。
【０００３】
スタジアムや展示会会場等の施設では、アクセスポイントを高所に設置して、端末局装置とアクセスポイントが見通し環境となるようにすれば、相互の受信状態は良好となり、より高い伝送速度での通信が可能になると考えられる。しかしながら、アクセスポイントを高所に設置した場合、隣接するアクセスポイント同士も相互に見通し環境になり周波数の棲み分けを効率良く行えない可能性があった。このため、実際には、アクセスポイントを座席下などに設置することで、隣接するアクセスポイント間での相互の予被干渉を低減している。
【０００４】
また、見通し環境となる自由空間では電波の受信レベルは距離の２乗に反比例して減衰するが、見通し外のマルチパス環境では距離の３乗や４乗に反比例して減衰速度がさらに大きくなる。また、利用できる周波数チャネル数もそれほど多くはないため、サービスエリアの端点では無線の受信レベルが大きく低下し、アクセスポイントに近いユーザに比べて伝送速度が大きく低下してしまう可能性がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】須山  聡、小原  辰徳、シン  キユン、奥村  幸彦，「高周波数帯ハイブリッドビームフォーミングを用いたMassive MIMOにおけるアナログビームフォーミング構成の影響」，信学技報，一般社団法人  電子情報通信学会，2015年3月，vol.114，no.490，RCS2014-337，p.213-218
【非特許文献２】太田  厚、新井  拓人、白戸  裕史、丸田  一輝、岩國  辰彦、飯塚  正孝，「第１固有モードの並列伝送を用いた見通し環境ミリ波帯空間多重伝送技術〜方式提案と基本特性評価結果〜」,信学技報，一般社団法人  電子情報通信学会，2015年8月，vol.115，no.181，RCS2015-144，p.73-78
【非特許文献３】太田  厚、白戸  裕史、丸田  一輝、新井  拓人、岩國  辰彦、飯塚  正孝，「見通し環境Massive MIMOにおける第１固有モード伝送の有効利用」，信学技報，一般社団法人  電子情報通信学会,2015年11月，vol.115，no.288，RCS2015-239，p.293-298
【非特許文献４】福園  隼人、村上  友規、工藤  理一、鷹取  泰司、溝口  匡人，「下りマルチユーザMIMO-OFDMシステムにおけるインプリシットフィードバックの実験評価」，信学技報，一般社団法人  電子情報通信学会，2013年11月，vol.113，no.301，RCS2013-187，p.79-84
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のスタジアムのように膨大な数のユーザが密集して存在する環境で無線通信サービスを提供する場合、理想的には基地局装置と端末局装置とを見通し環境に置き、高い受信レベルを確保した状態で通信することが望ましい。さらには、ひとつのサービスエリアのサイズを縮小し、ピコセル状態で周波数繰り返しを行えば、単位面積当たりの伝送容量を増大させることができ、スタジアム全体での大容量化を実現することができる。しかしながら、このような運用ではアクセスポイントと周辺のアクセスポイントとの間も見通し環境になり、相互の予被干渉が無視できなくなる。また、大規模なスタジアム内を超小規模なピコセルで埋め尽くすためには、膨大な数のアクセスポイントが必要になる。このような背景により、スタジアムや展示会会場等の施設内の空間をピコセルに分割して無線通信環境を提供する場合に、ピコセル間の周波数の棲み分けをより少ないアクセスポイントで効率的に実現することができる技術が望まれている。
【０００７】
上記事情に鑑み、本発明は、見通し環境において、ピコセル間での無線の与被干渉を抑制しつつ周波数の棲み分けを行うことができる技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を備える基地局装置と、１以上のアンテナ素子を備える無線局装置とを備え、前記基地局装置が、前記複数のアンテナ素子を用いて指向性を形成することによって前記無線局装置と通信する無線通信システムにおける前記基地局装置であって、サービスエリアを構成する各セル内の複数の測定ポイントから送信されたトレーニング信号に基づいて、各測定ポイント方向に指向性を形成するためのアンテナ素子毎の複素位相回転量を、前記複数のアンテナ素子のうちの基準となるアンテナ素子とその他の前記複数のアンテナ素子のうちのひとつとで受信されるそれぞれの信号の相関に基づいて算出する複素位相回転量算出部と、前記複数のアンテナ素子によって受信された受信信号に対して、前記測定ポイント毎の複素位相回転量の位相回転を受信アンテナ素子毎に与えた信号を合成することにより前記受信信号の送信元の前記無線局装置が送信した送信信号を該送信元の無線局装置が属する前記セル毎に信号分離し、セル毎に分離された該信号に基づき前記送信元の無線局装置が送信した信号を復元する受信部と、を備える基地局装置である。
【０００９】
本発明の一態様は、上記の基地局装置であって、送信信号に対して、前記複素位相回転量算出部によって算出された前記セル毎且つ測定ポイント毎の複素位相回転量ないしは該複素位相回転量に所定のキャリブレーション処理を行った複素位相回転量の位相回転を測定ポイント毎且つアンテナ素子毎に与え、位相回転がなされた測定ポイント毎の送信信号をアンテナ素子毎に合成して送信する送信部をさらに備える。
【００１０】
本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を備える基地局装置と、１以上のアンテナ素子を備える無線局装置とを備え、前記基地局装置が、前記複数のアンテナ素子を用いて指向性を形成することによって前記無線局装置と通信する無線通信システムにおける前記基地局装置であって、サービスエリアを構成する各セル内の複数の測定ポイントから送信されたトレーニング信号に基づいて、各測定ポイント方向に指向性を形成するための測定ポイント別受信ウエイトを、前記複数のアンテナ素子のうちの基準となるアンテナ素子とその他の前記複数のアンテナ素子のうちのひとつとで受信されるそれぞれの信号の相関に基づいて算出する測定ポイント別受信ウエイト算出部と、該測定ポイント別受信ウエイト算出部が算出した同一セル内の複数の測定ポイント別受信ウエイトを加算し、当該セルに対する受信ウエイトを算出する受信ウエイト算出部と、前記複数のアンテナ素子によって受信された受信信号又は該受信信号を周波数変換した信号に対し、これをサンプリングしたデジタル信号にサンプリングデータ単位で複数のアンテナ素子毎に前記受信ウエイトを乗算し、該乗算結果を複数のアンテナ素子に渡り加算合成することで、記受信信号の送信元の前記無線局装置が送信した送信信号を該送信元の無線局装置が属する前記セル毎に信号分離し、セル毎に分離された該信号に基づき前記送信元の無線局装置が送信した信号を復元する受信部と、を備える基地局装置である。
【００１１】
本発明の一態様は、上記の基地局装置であって、前記セル毎の送信信号に対して、前記受信ウエイト算出部によって算出された受信ウエイトに所定のキャリブレーション処理を行った送信ウエイトをアンテナ素子毎に算出し、該送信ウエイトを送信信号にアンテナ素子毎に乗算して送信する送信部をさらに備える。
【００１２】
本発明の一態様は、上記の基地局装置であって、前記送信部は、送信対象のデジタル信号をアナログ信号に変換し、前記アナログ信号又は該アナログ信号を周波数変換した信号の何れかに対して前記測定ポイント毎且つアンテナ素子毎に前記複素位相回転量の位相回転を与え、前記受信部は、アナログ信号である受信信号又は該アナログ信号を周波数変換した信号の何れかに対して前記測定ポイント毎且つアンテナ素子毎に前記複素位相回転量の位相回転を与える。
【００１３】
本発明の一態様は、上記の基地局装置であって、前記複数のアンテナ素子は、受信用のアンテナ素子群と、該受信用のアンテナ素子群と独立な送信用のアンテナ素子群とで構成され、前記受信用のアンテナ素子は、前記受信部として機能する第１の回路に接続され、前記送信用のアンテナ素子は、前記送信部として機能する第２の回路に接続される。
【００１４】
本発明の一態様は、上記の基地局装置であって、前記複数のアンテナ素子は、送受信兼用のアンテナ素子であり、前記複数のアンテナ素子は、前記受信部及び送信部として機能する第３の回路に接続され、前記第３の回路は、受信部及び送信部としての動作を切り替えるスイッチを備え、前記複素位相回転量算出部は、前記スイッチの切り替えによって前記第３の回路を前記受信部として機能させ、前記第３の回路によって前記送信元の送信信号を復元する。
【００１５】
本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を備える基地局装置と、１以上のアンテナ素子を備える無線局装置とを備え、前記基地局装置が、前記複数のアンテナ素子を用いて指向性を形成することによって前記無線局装置と通信する無線通信システムにおける前記基地局装置が行う送受信方法であって、サービスエリアを構成する各セル内の複数の測定ポイントから送信されたトレーニング信号に基づいて、各測定ポイント方向に指向性を形成するためのアンテナ素子毎の複素位相回転量を、前記複数のアンテナ素子のうちの基準となるアンテナ素子とその他の前記複数のアンテナ素子のうちのひとつとで受信されるそれぞれの信号の相関に基づいて算出する複素位相回転量算出ステップと、前記複数のアンテナ素子によって受信された受信信号に対して、前記測定ポイント毎の複素位相回転量の位相回転を受信アンテナ素子毎に与えた信号を合成することにより前記受信信号の送信元の前記無線局装置が送信した送信信号を該送信元の無線局装置が属する前記セル毎に信号分離し、セル毎に分離された該信号に基づき前記送信元の無線局装置が送信した信号を復元する受信ステップと、を有する送受信方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、見通し環境において、ピコセル間での無線の与被干渉を抑制しつつ周波数の棲み分けを行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】周波数リユース技術の概要を示す図である。
【図２】指向性の形成に必要な情報を取得する測定ポイントの具体例を示す図である。
【図３】指向性利得の空間的な分布特性の具体例を示す図である。
【図４】第１の実施形態の基地局装置１の機能構成の具体例を示すブロック図である。
【図５】送信信号処理回路７９２及び受信信号処理回路７９３の機能構成の具体例を示すブロック図である。
【図６】第１の基地局装置１を送受信アンテナ共用型として構成する場合における送受信信号処理回路７９１の機能構成の具体例を示す図である。
【図７】第２の実施形態の基地局装置２の機能構成の具体例を示すブロック図である。
【図８】第２の実施形態の基地局装置２が送受信アンテナ共用型として構成された場合の機能構成の具体例を示すブロック図である。
【図９】サービスエリア内の各セルについて設定された測定ポイントの具体例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜概略＞
一般に無線アクセスサービスを面的に展開する場合、サービスを提供すべきエリア（以下「サービスエリア」という。）を複数のエリア（以下「セル」という。）に分割し、複数の周波数チャネルを用いて全セルをカバーするのが一般的である。この時、利用可能な周波数チャネルの数に制限がある場合には、複数のセルに対して複数の周波数チャネルの棲み分けを行い、同一周波数チャネルを用いるセル間を所定の間隔以上に隔離した上で同一周波数チャネルを再利用する「周波数リユース技術」が一般に用いられる。
【００１９】
図１は、周波数リユース技術の概要を示す図である。図１は、セル６５１〜６５６の６つのセルを示す。ここでは簡単のため、各セルを同一サイズの６角形とし、サービスエリアには各セルが最密充填状に隙間なく敷き詰められていると仮定する。また、ここではＦ１、Ｆ２及びＦ３の３つの周波数チャネルを用いる場合を仮定する。具体的には、セル６５１及びセル６５５は同一周波数チャネルＦ１を用いてサービス提供を行い、セル６５２及びセル６５６は同一周波数チャネルＦ２を用いてサービス提供を行い、セル６５３及びセル６５４は同一周波数チャネルＦ３を用いてサービス提供を行う。
【００２０】
この場合、同一周波数チャネルを用いるセル６５１及びセル６５５は所定の距離だけ隔離されており、隣接するセルでは同一周波数チャネルが用いられることはない。これは、同一周波数チャネルを用いるセル６５２及びセル６５６と、セル６５３及びセル６５４とについても同様である。電波には伝搬距離が長くなるに従い減衰する傾向がある。例えば、セル６５１の中心に配置された基地局装置から送信された電波は、伝搬経路上である程度減衰して６５５内に到達する。その結果、セル６５１とセル６５５との間では、相互の与被干渉が低減されることになる。これは、同一周波数チャネルを用いる他のセルの組み合わせについても同様のことが言える。
【００２１】
さらに、この伝搬減衰について、見通し環境の場合には、距離Ｒに対し１／Ｒ２に比例して電波が減衰することが知られている。これは一般に自由空間伝搬損失と呼ばれる。また、見通し環境以外の場合には、距離Ｒに対し１／Ｒα（α≧２）に比例して電波が減衰することが知られている。このαの値が大きいほど、電波は距離Ｒに対して急速に減衰することになり、これは周波数を再利用する観点で好都合である。しかしながら、現実には遮蔽物（例えば人）の遮蔽の仕方次第で減衰の仕方は必ずしも等方的ではなくなる。そのため、伝搬経路の状況によってはセル端でなくても通信が困難になる場合がある。理想的な通信環境とは、セル内では比較的安定して高い受信レベルを確保できる一方で、セル外では急激に受信レベルが低下するような通信環境である。このような理想的な通信環境では、同一周波数チャネルを用いるセル間の電波干渉が抑制される。
【００２２】
この周波数リユースの技術は携帯電話サービスなどで広く用いられている。この場合、基地局装置を比較的高所に設置することによって、平面的な周波数の再利用を効率的かつ安定的に実現できる可能性がある。このような周波数リユースの実現により、例えば野球やサッカーのスタジアムなどの狭い範囲に多数の人が集中するような場所の無線通信環境が向上することが期待される。基地局装置の設置方法の一例として、セルごとに設置されたポール上部に基地局装置を設置する方法が考えられる。より具体的には、基地局装置は、このポール上の観客の身長よりも若干高い位置に設置される。この程度の高さに設置される基地局の場合、状況に応じてユーザ端末は見通し環境であったり、見通し外環境であったりする。仮に見通しが確保できる位置にユーザ端末がある場合、電波は距離Ｒに対して１／Ｒ２に比例して減衰するため、同一周波数チャネルを利用するセル間で十分に電波が減衰しない。例えば、図１において、セル６５１の中心に配置された基地局装置から送信された電波は、同一周波数チャネルを使用するセル６５５の端点Ａ（基地局装置からセル半径の２倍の距離だけ隔離された位置）で１／２２倍にしか減衰せず、ＳＩＲ（Signal-to-Interference Ratio：希望信号対干渉信号電力比）は６ｄＢ程度となる。これは通信環境としてはあまり好ましくない。
【００２３】
そこで例えば、スタジアムの天井などの高所に指向性アンテナを設置し、スタジアムの観客席を複数のセルに分割してサービスを行う場合を考える。ひとつひとつの指向性アンテナによって形成されるビームでそれぞれのサービスエリアを制限する。このように、基地局装置を非常に高所に設置する場合、ユーザに対しては概ね見通しが確保できるようになる。このように天井などの高所に指向性アンテナを設置してスタジアムの観客席を複数のセルに分割することで、それぞれのサービスエリア内では良好な受信特性が得られるようにすることができる。その一方で、指向性アンテナの形成するビームから外れるエリアでは急激に受信特性が低下し、同一周波数チャネルを使用するサービスエリア間での与被干渉が抑圧された良好な通信環境を提供することができる。
【００２４】
この場合、スタジアムの高所に基地局装置を設置する際の設置容易性が重要になる。膨大な数のユーザ端末を概ね各サービスエリアで均等に基地局に収容するためには、観客席を概ね同程度のサイズのセルに分割し、高所に設置される指向性アンテナが正確にそのセルをカバーする必要がある。例えば、上述の指向性アンテナとしてホーンアンテナや平面パッチアンテナなどのアンテナを用いることができるが、これらのアンテナの指向性を事前に設計されたセルに正確に向けるのは難しい。
【００２５】
また、アンテナの設置位置や観客席の構造によっては、観客席を概ね均等な面積のセルに分割すること自体が困難であり、ユーザ数を同程度に分割して収容すること（以下「ユーザ分割」という。）が極めて難しい場合もある。このため、効率的かつ正確なユーザ分割を実現するためには、ある程度大雑把に設置される基地局のそれぞれが、設置位置や観客席の構造等に対して適応的にユーザ分割を行えることが望ましい。
【００２６】
さらに、スタジアムの全ユーザに対して十分な帯域の通信環境を提供するためには、高所に設置される基地局装置に対して、例えば光ファイバなどのバックホール回線を敷設する必要がある。しかし、高所に設置される指向性アンテナ同士の相関を低減し、相互の与被干渉を抑圧するためには、基地局装置をある程度隔離して設置する必要があり、高所に設置される複数の基地局装置に対して個別にバックホール回線を敷設する必要がある。しかしながら、このようなバックホール回線を高所に敷設するコストは高く、実際には経済性の観点から可能な限り少数の場所に集約して基地局装置を設置することが求められる。
【００２７】
以下、高所の１カ所に設置され、下方の複数のセルに対して適応的に指向性の形成を行いつつ、隣接する複数のセル間で周波数リユースを実現する基地局装置及び送受信方法の実施形態について詳細に説明する。まず、本発明の実施形態の基本原理の概要について説明する。
【００２８】
＜基本原理の概要＞
特定の無線局装置に対して送受信ビームの指向性をピンポイントで形成するためには、無線通信システムが基地局集中制御型である必要がある。これは、例えば受信ビームの形成において、基地局装置は、端末局装置が自局に対して信号を送信しようとしていることを予め検知しておく必要があるためである。しかしながら、Ｗｉ−Ｆｉ等の自律分散型の無線通信システムでは、基地局集中制御型の無線通信システムと異なり、基地局装置が端末局装置の送信を事前に検知することができない。このような場合、基地局装置は送受信ビームの指向性をピンポイントで形成するのではなく、サービスエリアの全域に対して必要な指向性利得を確保しつつ、サービスエリア外の領域に対しては急激に指向性利得が低下するような環境を予め準備しておく必要がある。
【００２９】
一般に、Ｍａｓｓｉｖｅ  ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）は、見通し環境においては、所定の方向に最大の指向性利得を持つようにビームの指向性を形成しつつ、その周辺に対しても所定のビーム幅の範囲で有効な指向性利得を確保することができる。このビーム幅は複数のアンテナ素子が形成するアレーアンテナの開口部の大きさに反比例する関係があり、比較的小型のアレーアンテナを構成すれば最大の指向性利得を得るユーザ（以下「ターゲットユーザ」という。）の周辺数ｍの範囲内においても有効な指向性利得を確保することができる。そして、複数のターゲットユーザに対して形成される指向性ビームを合成すると、全体として各指向性利得が足し合わされた複合的なビームを形成することができる。
【００３０】
＜基本原理を適用した実施形態＞
図２は、指向性の形成に必要な情報を取得するポイント（以下「測定ポイント」という。）の具体例を示す図である。図２において、セル６５１及びセル６５５は同一周波数チャネルを用いるセルである。セル６５１はａ−１、ｂ−１、ｃ−１、ｄ−１、ｅ−１、ｆ−１、ｇ−１で示される７つの測定ポイントを有し、セル６５５はａ−５、ｂ−５、ｃ−５、ｄ−５、ｅ−５、ｆ−５、ｇ−５で示されるセル６５１と同様の測定ポイントを有する。
【００３１】
まず、上述の様にスタジアムの天井などの高所に設置された基地局装置には光ファイバなどのバックホール回線が引かれており、これらの回線を通じて基地局装置の遠隔操作が行えるものとする。また、基地局装置は多数のアンテナ素子を備えているものとする。無線通信サービスの提供者は、ユーザに無線通信サービスを提供する前の段階において、指向性の形成に必要な情報を取得するためのトレーニング信号を送信する装置（以下「測定用送信装置」という。）をセル６５１の測定ポイントａ−１に設置する。測定用送信装置は、周波数チャネルＦ１を用いてトレーニング信号を送信する。測定用送信装置から送信されたトレーニング信号は、スタジアムの天井などの高所に設置された基地局装置側で受信される。サービス提供者は、測定用送信装置がトレーニング信号を送信した際に、基地局装置の各アンテナ素子が受信したトレーニング信号に基づいて、基地局装置が測定ポイントａ−１の無線局装置に対してビームの指向性を形成するために必要となるデジタル信号処理における送受信ウエイト、ないしは各アンテナ素子に対応する移相器に設定すべき複素位相の値を決定する。この移相器は、指向性形成をアナログ信号上で実現するために基地局装置に備えられる機能部である。移相器についての詳細は後述する。
【００３２】
なお、指向性形成はデジタル信号処理により実現することも、アナログ信号処理により実現することも可能であるが、ここでは消費電力やサイズの観点及び経済性に優れるアナログ信号上での指向性形成を行う場合（第１の実施形態）と、部品点数が比較的少ないデジタル信号処理上での指向性形成を行う場合（第２の実施形態）とについて、順番に説明する。
【００３３】
サービス提供者は、他の測定ポイントｂ−１、ｃ−１、ｄ−１、ｅ−１、ｆ−１及びｇ−１についても測定ポイントａ−１と同様の方法で移相器に設定する複素位相の値（デジタル信号処理の場合は送受信ウエイトに相当）を決定する。サービス提供者は、セル６５１の各測定ポイントで測定されたアンテナ素子毎の移相器に設定すべき複素位相の値、ないしは測定ポイント別送受信ウエイトを算出する。アナログ信号処理の場合には、各移相器に取得した複素位相の回転量を、デジタル信号処理の場合には同一セル内の複数の測定ポイント別送受信ウエイトをアンテナ素子毎に加算して得られる送受信ウエイトを、それぞれ基地局装置に設定する。基地局装置は、各測定ポイントについて取得されたアンテナ素子毎の移相器に設定すべき複素位相の値に基づいて移相器を動作させること、ないしは測定ポイント別送受信ウエイトを加算して得られた送受信ウエイトをサンプリングデータ単位で乗算することにより、測定ポイントａ−１、ｂ−１、ｃ−１、ｄ−１、ｅ−１、ｆ−１及びｇ−１の各方向に指向性を持つビームを合成したビームを形成して信号を送出する。このようにセル６５１内の複数地点に指向性を持つビームを合成することにより、セル６５１内においては必要な指向性利得を確保しつつ、セル６５１外の領域に対しては急激に指向性利得が低下するような無線通信環境を作り出すことができる。
【００３４】
図３は、指向性利得の空間的な分布特性の具体例を示す図である。図３のグラフに示される各曲線は、基地局装置が形成するビームの指向性利得（各場所における受信電力に対応）を表す曲線（以下「利得曲線」という。）である。利得曲線６６１−１〜６６１−３は、セル６５１内の各測定ポイントに向けて形成されるビームの指向性利得を表す。同様に、利得曲線６６２−１〜６６２−３は、セル６５５内の各測定ポイントに向けて形成されるビームの指向性利得を表す。利得曲線６６３は、セル６５１内の各測定ポイントに向けて形成されるビームを合成した指向性利得を表す。利得曲線６６４は、セル６５５内の各測定ポイントに向けて形成されるビームを合成した指向性利得を表す。図３は、セル６５１の中心とセル６５５の中心とを結ぶ直線上の各位置における指向性利得を表している。
【００３５】
図３に示されるように、各測定ポイントに向けて形成されるビームの指向性は、それぞれの測定ポイント付近では高い指向性利得を示す。そして、それらのビームがセルごとに合成されたビーム（以下「合成ビーム」という。）の指向性利得は、利得曲線６６３及び６６４が示すように、概ね各セル内において高い値となる一方で、セル外では急激に低い値となる。この場合、基地局装置が、セル６５１に対して形成した合成ビームで信号ｔ１を送信し、セル６５５に対して形成した合成ビームで信号ｔ２を送信すると、セル６５１内の全ての端末局装置が信号ｔ１を受信できることができる一方で、信号ｔ２は殆ど受信することができない。同様に、セル６５５内の全ての端末装置が信号ｔ２を受信できることができる一方で、信号ｔ１は殆ど受信することができない。そのため、同一周波数Ｆ１を用いた場合であっても、セル６５１とセル６５５との相互の予被干渉を低減することが可能となる。
以下に、指向性形成をアナログ信号処理により実現する第１の実施形態と、デジタル信号処理により実現する第２の実施形態について、個別に説明を行う。
【００３６】
［第１の実施形態］
図４は、本発明第１の実施形態の基地局装置１の機能構成の具体例を示すブロック図である。一般に、基地局装置の構成は、送受信アンテナの態様によって送受信アンテナ分離型と送受信アンテナ共用型とに分類される。上述した基本原理は、送受信アンテナ分離型と送受信アンテナ共用型とのいずれにも適用可能であるが、ここでは一例として送受信アンテナ分離型の構成を示す。
【００３７】
図４に示す第１の実施形態の基地局装置１は、ベースバンド信号処理回路１５０と、送信部７９４と、受信部７９５と、を備える。ベースバンド信号処理回路１５０は、変調器（ＭＯＤ）１２０−１〜１２０−Ｎ、復調器（ＤＥＭ）１３０−１〜１３０−Ｎ及び信号分離回路１４１を備える。ここでＮは、基地局装置１が無線通信サービスを同時に提供することができるセルの数に対応する。以下では、Ｎ個のセルのうちのｎ（ｎ＝１，…，Ｎ）番目のセルをセルｎと記載する。変調器１２０−ｎは、セルｎ内の端末装置に対する送信信号の変調処理を行う。送信信号が無い場合には、変調器１２０−ｎはサンプリングデータとしてゼロ信号を出力する。復調器１３０−ｎは、セルｎ内の端末装置から受信された受信信号の復調処理を行うことによって、受信信号の送信元が送信した送信信号を復元する。また、復調器１３０−ｎは常に信号を受信している訳ではないので、信号の有無の判断を常に行い、実際の受信信号がある場合に復調処理を行うことになる。信号分離回路１４１は、受信部７９５から出力されたＮ系統の受信信号のクロストーク成分を必要に応じて抑圧して信号分離を行い、分離された各信号を対応する復調器１３０−１〜１３０−Ｎに出力する。
【００３８】
送信部７９４は、アンテナ素子７０１−１〜７０１−Ｍ、分配結合器（ＨＹＢ）７５１−１〜７５１−Ｍ及び送信信号処理回路７９２−１〜７９２−Ｎ（第１の回路）を備える。送信信号処理回路７９２−ｎ（ｎ＝１，…，Ｎ）は、対応する変調器１２０−ｎから出力された送信信号をＭ系統に分離し、分離したそれぞれの送信信号を自身に対応するセルｎに割り当てられた周波数にアップコンバートする。ここで、Ｍは、アンテナ素子の数に対応している。送信信号処理回路７９２−ｎは、アップコンバートした各系統の送信信号が対応するアンテナ素子７０１−１〜７０１−Ｍから送信される際の指向性を形成するためのアナログ信号処理（詳細は後述する）を各系統の送信信号に施す。送信信号処理回路７９２−ｎは、アナログ信号処理を施した各系統の送信信号を、それぞれのアンテナ素子７０１−１〜７０１−Ｍに対応する分配結合器７５１−１〜７５１−Ｍに出力する。分配結合器７５１−ｍ（ｍ＝１，…，Ｍ）は、送信信号処理回路７９２−１〜７９２−Ｎのそれぞれから出力された送信信号を結合して対応するアンテナ素子７０１−ｍに出力する。アンテナ素子７０１−ｍは、分配結合器７５１−ｍから出力された送信信号を無線送信する。
【００３９】
受信部７９５は、アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍ、分配結合器（ＨＹＢ）７５２−１〜７５２−Ｍ及び受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎ（第２の回路）を備える。アンテナ素子７４１−ｍ（ｍ＝１，…，Ｍ）は信号を受信し、受信した信号を対応する分配結合器７５２−ｍに出力する。
【００４０】
分配結合器７５２−ｍは、アンテナ素子７４１−ｍから出力された受信信号をＮ系統に分離して受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎに出力する。受信信号処理回路７９３−ｎ（ｎ＝１，…，Ｎ）は、分配結合器７５２−１〜７５２−Ｍのそれぞれから出力された受信信号に対して、アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍにてターゲットとするセル方向に指向性を形成するためのアナログ信号処理（詳細は後述する）を施すことにより１系統に合成された受信信号を生成する。受信信号処理回路７９３は、１系統に合成された信号を自身に対応するセルｎに割り当てられた周波数にダウンコンバートし、ダウンコンバートしたそれぞれの受信信号を結合して信号分離回路１４１に出力する。
【００４１】
なお、基地局装置１は、必ずしも複数の周波数チャネルの全てのセルに関する通信処理を行う必要はなく、所定の周波数チャネルを用いるセル（ないしは、その一部のセルであっても良い）に関してのみ通信処理を行うように構成されてもよい。この場合、無線通信システムは、異なる周波数チャネルの通信処理を行う複数の基地局装置を用いて構成されてもよい。
【００４２】
また、送信信号処理回路７９２−１〜７９２−Ｎは、それぞれ同様の構成を持つ。同様に、受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎは、それぞれ同様の構成を持つ。以下では、説明を簡単にするため、特に区別する必要の無い場合においては、送信信号処理回路７９２−１〜７９２−Ｎのそれぞれを送信信号処理回路７９２と記載する。同様に以下では、受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎのそれぞれを受信信号処理回路７９３と記載する。
【００４３】
図５は、送信信号処理回路７９２及び受信信号処理回路７９３の機能構成の具体例を示すブロック図である。送信信号処理回路７９２は、Ｄ／Ａ変換器１２２、アップコンバータ１２３、分配結合器７０７−１〜７０７−Ｍ、移相器７１２−１〜７１２−Ｍ、分配結合器７１４−１〜７１４−Ｍ’、移相器７２２−１〜７２２−Ｍ及び分配結合器７２７を備える。ここでＭ’は、図２に示した各セルの測定ポイントの数を表す。図２の例では、セル６５１及び６５５共に７点の測定ポイントを有しているため、この場合にはＭ’＝７となる。また図４に示す様に、各送信信号処理回路７９２とアンテナ７０１との間には、各送信信号処理回路７９２−１が出力する信号と、その他の送信信号処理回路７９２−２〜７９２−Ｎから出力される信号を合成するための分配結合器７５１−１〜７５１−Ｍ’が配置される。図５においては、分配結合器７５１−１〜７５１−Ｍが送信信号処理回路７９２−１に接続される状況を選択的に示している。
【００４４】
また、受信信号処理回路７９３は、Ａ／Ｄ変換器１２５、ダウンコンバータ１２４、相関算出回路７０５（複素位相回転量算出部）、位相シフト制御回路７０６、分配結合器７０８−１〜７０８−Ｍ、スイッチ７１３−１〜７１３−Ｍ、スイッチ７２３−１〜７２３−Ｍ、分配結合器７２８、移相器７３２−１〜７３２−Ｍ、分配結合器７３４−１〜７３４−Ｍ’及び移相器７４２−１〜７４２−Ｍを備える。送信信号処理回路７９２と同様に、各受信信号処理回路７９３とアンテナ７４１との間には、各受信信号処理回路７９３−１とその他の受信信号処理回路７９３−２〜７９３−Ｎとに信号を分配するための分配結合器７５２−１〜７５２−Ｍ’が配置される。図５においては、分配結合器７５２−１〜７５１−Ｍが受信信号処理回路７９３−１に接続される状況を選択的に示している。
なお、「移相器７１２−１〜７１２−Ｍ」と「移相器７２２−１〜７２２−Ｍ」は図５では２系統のみを代表して表示したが、実際には分配結合器７１４−１〜７１４−Ｍ’によりＭ’系統の移相器群が存在する。この意味では、「移相器７１２−１〜７１２−Ｍ」は「移相器７１２−１−１〜７１２−１−Ｍ」と、「移相器７２２−１〜７２２−Ｍ」は「移相器７１２−Ｍ’−１〜７１２−Ｍ’−Ｍ」と標記すべきであるが、煩雑となるために「移相器７１２−１〜７１２−Ｍ」と「移相器７２２−１〜７２２−Ｍ」と表記している。また「移相器７３２−１〜７３２−Ｍ」と「移相器７４２−１〜７４２−Ｍについても同様である。
【００４５】
以下、図４及び図５を参照し、具体的な信号処理の流れについて説明する。
［１．送信の流れ］
ここでは簡単のため、セル１（ｎ＝１）の端末装置に対する送信の流れを説明する。この場合、まず送信信号処理回路７９２−１に、変調器１２０−１から出力されたベースバンド信号を入力する。ここで入力されるベースバンド信号は、デジタル形式のベースバンド信号（以下「デジタル・ベースバンド信号」という。）である。変調器１２０−１から出力されたデジタル・ベースバンド信号は、まずＤ／Ａ変換器１２２に入力される。Ｄ／Ａ変換器１２２は、デジタル・ベースバンド信号をアナログ形式のベースバンド信号（以下「アナログ・ベースバンド信号」という。）に変換してアップコンバータ１２３に出力する。
【００４６】
アップコンバータ１２３は、アナログ・ベースバンド信号をベースバンドから無線周波数帯の信号に変換して分配結合器７２７に出力する。分配結合器７２７は、無線周波数帯の信号に変換されたアナログ・ベースバンド信号を、セル１内の測定ポイント数（すなわちＭ’）だけ分配して出力する。この分配数は、換言すれば、ひとつのセルをカバーするように形成される合成ビームの元となる個々のビームの数に相当する。例えば、図１及び図２の例で言えば、セル６５１内の端末装置との通信における分配数は、合成ビームの利得曲線６６３を構成する利得曲線６６１−１〜６６１−３に対応する各ビームの数に相当する。ここでは、アナログ・ベースバンド信号は、図５に示されるように分配結合器７１４−１〜７１４−Ｍ’のＭ’系統に分配される。
【００４７】
分配結合器７２７から分配された各アナログ・ベースバンド信号は、出力先の分配結合器７１４−１〜７１４−Ｍ’によって、アンテナ素子７０１の数に応じたＭ系統の移相器にさらに分配される。具体的には、分配結合器７１４−１に出力されたアナログ・ベースバンド信号は、移相器７１２−１〜７１２−Ｍに分配され、分配結合器７１４−Ｍ’に出力されたアナログ・ベースバンド信号は移相器７２２−１〜７２２−Ｍに分配される。
【００４８】
移相器７１２−１〜７１２−Ｍ及び移相器７２２−１〜７２２−Ｍは、無線周波数帯のアナログ・ベースバンド信号に対して以下に示す手順で求める所定量の複素位相回転を与え、対応する分配結合器７０７に出力する。
【００４９】
分配結合器７０７−ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）は、移相器７１２−１〜７１２−Ｍ及び移相器７２２−１〜７２２−Ｍのそれぞれから出力された位相回転後のアナログ・ベースバンド信号を合成して対応するアンテナ素子７０１−ｍに出力する。各アンテナ素子７０１は、対応する分配結合器７０７から出力された合成後のアナログ・ベースバンド信号を送信する。
【００５０】
このように送信された各送信信号は、移相器７１２−１〜７１２−Ｍ及び７２２−１〜７２２−Ｍの複素位相回転によって、対応する測定ポイント方向に指向性を持つ。基地局装置１は、セル１内の各測定ポイントに指向性を持つ送信信号を同時に送信することによって合成ビームを形成する。基地局装置１は、このように構成される合成ビーム上に、セルごとに一つの信号系列を載せて送信することにより、セル１内に存在する無線局装置と通信する。
【００５１】
［２．受信の流れ］
まず、アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍによってセル１内に存在する無線局装置から送信された信号が受信される。アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍは、受信信号を対応する分配結合器７０８に出力する。分配結合器７０８−１〜７０８−Ｍは、受信信号をセル１内の測定ポイント数だけ分配して対応する移相器に出力する。例えば、分配結合器７０８−１は、受信信号を移相器７３２−１及び７４２−１に出力する。
【００５２】
移相器７３２−１〜７３２−Ｍ及び７４２−１〜７４２−Ｍは、アナログ信号である受信信号に対して所定量の複素位相回転を与え、対応する分配結合器にスイッチを介して出力する。例えば、移相器７３２−１は、分配結合器７０８−１から出力された受信信号に対して所定量の複素位相回転を行い、スイッチ７１３−１を介して分配結合器７３４−１に出力する。分配結合器７３４−１〜７３４−Ｍ’は、対応する各移相器から出力された受信信号を合成して分配結合器７２８に出力する。分配結合器７２８は、対応する各分配結合器から出力された受信信号をさらに合成してダウンコンバータ１２４に出力する。ダウンコンバータ１２４は、分配結合器７２８から出力された受信信号を無線周波数帯からベースバンドにダウンコンバートしてアナログ・ベースバンド信号に変換する。ダウンコンバータ１２４は変換後のアナログ・ベースバンド信号をＡ／Ｄ変換器１２５に出力する。Ａ／Ｄ変換器１２５は、ダウンコンバータ１２４から出力されたアナログ・ベースバンド信号をデジタル形式の信号（デジタル・ベースバンド信号）に変換して信号分離回路１４１に出力する。
【００５３】
このような受信処理において、移相器７１２−１〜７１２−Ｍ及び移相器７２２−１〜７２２−Ｍのそれぞれが、アナログ形式のベースバンド信号に所定量の複素位相回転を加えることで、アンテナ素子７０１−１〜７０１−Ｍを介して送信される信号について所定の指向性を形成することができる。基地局装置１は、このような指向性を形成することにより、その指向性方向に位置するセル内に存在する無線局装置と通信を行う。
【００５４】
［３．複素位相の回転量の算出］
まず、ここで想定するシステムにおける基地局装置は、サービス運用中において固定的な指向性ビームを形成し、個別のセル間の信号の混信を回避する。固定的な指向性は、サービスの運用開始前に事前に取得する情報を基に形成することが可能であり、以下に示す処理はサービス運用開始前に事前に行う処理とすることが可能である。更に、サービス運用期間中においても、必要に応じて例えば夜間などのサービス休止時間を利用して、逐次情報を更新することも可能である。また以下の説明における各スイッチ７１３−１〜７１３−Ｍ及びスイッチ７２３−１〜７２３−Ｍや移相器７３２−１〜７３２−Ｍ及び７４２−１〜７４２−Ｍは、本図に記載されていない基地局全体の制御・管理を行う通信制御部によって直接的に制御・管理されても良いし、その通信制御部の指示に従って相関算出回路７０５などが制御・管理しても良い。
【００５５】
まず複素位相の回転量は、各測定ポイントの測定用送信装置から連続してトレーニング信号を送信し、基地局装置１の相関算出回路７０５がこれらのトレーニング信号の受信信号に基づいて算出する。ここで、相関算出回路７０５は、スイッチ７１３のいずれかひとつがＯＮ状態にあり、他のスイッチがＯＦＦ状態にある状況で複素位相の回転量を算出する。各スイッチのＯＮ又はＯＦＦの切り替えは、図示しない制御回路の指示に基づいて相関算出回路７０５が制御する。この際、移相器７３２−１〜７３２−Ｍ及び移相器７４２−１〜７４２−Ｍの位相回転量には予め所定の値が設定され、相関算出回路７０５によって算出された所定の複素位相回転量の値に更新される。
【００５６】
相関算出回路７０５によって算出される複素位相の回転量は、予め設定される所定の位相回転量に対する差分として設定される。例えば、移相器７３２−１〜７３２−Ｍ及び移相器７４２−１〜７４２−Ｍの位相回転量は予め全てゼロ（又は全て同一の値）に設定されてもよい。この場合、相関算出回路７０５によって算出された複素位相回転量がそのまま新たな位相回転量として用いられてもよい。また例えば、移相器７３２−１〜７４２−Ｍの位相回転量が“＋１０度”、“＋２０度”、“＋３０度”、・・・に予め設定され、相関算出回路７０５によって算出された複素位相回転量が“＋α度”、“＋β度”、“＋γ度”である場合、新たな位相回転量は“＋（α＋１０）度”、“＋（β＋２０）度”、“＋（γ＋３０）度”と設定される。
【００５７】
以下、複素位相の回転量の算出の流れについて説明する。まず、基地局装置１は、各セル内の複数の測定ポイントに設置された測定用送信装置から送信されるチャネル推定用のトレーニング信号を、アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍを介して受信する。アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍによって受信された信号は、対応する分配結合器７０８−１〜７０８−ＭによってＭ×Ｍ’系統に分配される。Ｍ×Ｍ’系統に分配された信号はそれぞれ移相器７３２−１〜７３２−Ｍ及び移相器７４２−１〜７４２−Ｍのうちの対応する移相器にそれぞれ出力される。移相器７３２−１〜７３２−Ｍ及び７４２−１〜７４２−Ｍは、アナログ信号である受信信号に対して所定量の複素位相回転を行う。移相器７３２−１〜７３２−Ｍ及び７４２−１〜７４２−Ｍは、複素位相回転を施した受信信号を、スイッチ７１３−１〜Ｍ及び７２３−１〜７２３−Ｍのいずれかを介して対応する分配結合器７３４−１〜７３４−Ｍ’に出力する。スイッチ７１３−１〜Ｍ及び７２３−１〜７２３−Ｍは、複素位相の回転量の算出のためのトレーニング信号受信時には、スイッチ７１３−１〜Ｍ及び７２３−１〜７２３−Ｍの中のひとつのみのスイッチが接続状態となり、他のスイッチは非接続状態となる様に管理される。この結果、アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍのうちのいずれか一つのアンテナ素子にて受信された信号のみが選択的にイッチ７１３−１〜Ｍ及び７２３−１〜７２３−Ｍの何れかを経由して出力される。出力された信号は分配結合器７３４−１〜７３４−Ｍ’で各測定ポイントに対応する信号毎に合成される。分配結合器７２８は、各分配結合器７３４−１〜７３４−Ｍ’から出力された受信信号をさらに合成してダウンコンバータ１２４に出力する。ダウンコンバータ１２４は、分配結合器７２８から出力された受信信号を無線周波数帯からベースバンドにダウンコンバートしてアナログ・ベースバンド信号に変換する。ダウンコンバータ１２４は変換後のアナログ・ベースバンド信号をＡ／Ｄ変換器１２５に出力する。Ａ／Ｄ変換器１２５は、ダウンコンバータ１２４から出力されたアナログ・ベースバンド信号をデジタル形式の信号（デジタル・ベースバンド信号）に変換して相関算出回路７０５に出力する。
【００５８】
相関算出回路７０５では、以下に示す手順で各移相器７１２−１〜７１２−Ｍ、移相器７２２−１〜７２２−Ｍ、移相器７３２−１〜７３２−Ｍ及び移相器７４２−１〜７４２−Ｍで与える複素位相の回転量を算出する。まず、移相器７３２−１〜７３２−Ｍ及び移相器７４２−１〜７４２−Ｍが付与する位相回転量は、時間軸ビームフォーミング（例えば非特許文献１〜４参照）において用いられる次の式（１）〜式（３）を用いて算出される。
【００５９】
【数１】
2018019379.tif 000003
【００６０】
【数２】
2018019379.tif 000004
【００６１】
【数３】
2018019379.tif 000005
【００６２】
上記の式において、Ｓｉ（ｎ）は、第ｉアンテナが受信したトレーニング信号のうちの第ｎサンプルのサンプリングデータを表し、Ｓｉ（ｎ）＊は、Ｓｉ（ｎ）の複素共役を表す。ＮＦＦＴは所定の周期性を表すパラメータである。例えば、ＮＦＦＴはＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）のＦＦＴ（Fast Fourier Transform）ポイント数のように相関検出において意味を持つ周期性の値を示す。ψｊは時間軸ビームフォーミングで実施する（受信側の）複素位相の回転量である。関数ａｎｇｌｅ（ｘ）は複素数ｘの複素位相を表す関数であり、ｘの実部及び虚部の比と、実部及び虚部の符号とにより定まる値である。なお、キャリブレーション処理が必要な場合には、式（１）〜式（３）においてキャリブレーション係数を考慮することによって、送信側の複素位相の回転量が求められる。
【００６３】
ここで式（２）より明らかな様に、上記式（１）で与えられる複素係数ｃｊの複素位相と、上記式（２）で与えられる時間軸ウエイトｗｊの複素位相は符号が反転したものとなっている。この意味で、後述する本発明の実施形態において、相対的なチャネル情報に対応する式（１）で与えられる複素係数ｃｊの複素位相を求めることと、時間軸ウエイトｗｊの複素位相を求めることは等価である。
【００６４】
次に、Ｓｉ（ｎ）の取得方法について説明する。上述したように、複素位相の回転量の算出時において、スイッチ７１３−１〜７１３−Ｍ及び７２３−１〜７２３−Ｍは、ひとつを除いて全てがＯＦＦ状態となっている。そのため、この場合、スイッチ７１３−１〜７１３−Ｍ及び７２３−１〜７２３−Ｍの後段にある分配結合器７３４−１〜７３４−Ｍ’には、ＯＮ状態のスイッチに対応するアンテナ素子で受信された信号のみが出力される。分配結合器７３４−１〜７３４−Ｍ’は、ＯＮ状態のスイッチを介して出力された信号を後段の分配結合器７２８に出力する。分配結合器７２８は、分配結合器７３４−１〜７３４−Ｍ’から出力された信号を合成してダウンコンバータ１２４に出力する。
【００６５】
すなわち、スイッチ７１３−１〜７１３−Ｍ及び７２３−１〜７２３−Ｍ、分配結合器７３４−１〜７３４−Ｍ’及び分配結合器７２８は、全体として、アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍから１つのアンテナ素子を選択して信号を受信するように機能する。選択されたアンテナ素子によって受信された信号は、ダウンコンバータ１２４によってアナログ・ベースバンド信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器１２５によってアナログ・ベースバンド信号からデジタル・ベースバンド信号に変換される。変換されたデジタル・ベースバンド信号は、相関算出回路７０５に出力される。
【００６６】
なお、ある測定ポイントについて位相回転量の算出を行う場合には、対応するスイッチ群以外の全てのスイッチをＯＦＦ状態にすることによって、当該測定ポイントに関する信号処理のみを行う。例えば、測定ポイントａ−１に対する指向性の形成を移相器７１２−１〜７１２−Ｍ及び７３２−１〜７３２−Ｍで形成し、測定ポイントｇ−１に対する指向性の形成を移相器７２２−１〜７２２−Ｍ及び７４２−１〜７４２−Ｍが形成する場合、測定ポイントａ−１から送信されたトレーニング信号については移相器７３２−１〜７３２−Ｍに接続されるスイッチ７１３−１〜７１３−Ｍのうちの１つだけをＯＮ状態にすればよい。この場合、その他の全てのスイッチ７２３−１〜７２３−Ｍ等をＯＦＦ状態にする。ここで、スイッチ７１３−１〜７１３−Ｍの切り替えは、例えばＯＦＤＭのＦＦＴポイント数ＮＦＦＴのように相関検出において意味を持つ周期性の整数倍の周期でスイッチ７１３を切り替える。例えば、スイッチ７１３−１、スイッチ７１３−２、スイッチ７１３−３、・・・、スイッチ７１３−Ｍの順に切り替える。ないしは、時間軸ウエイトの算出における基準アンテナがアンテナ７４１−１である場合、アンテナ７４１−１に接続されたスイッチ７１３−１を周期的に活用してもよい。例えばこの場合、スイッチ７１３−１、スイッチ７１３−２、スイッチ７１３−１、スイッチ７１３−３、スイッチ７１３−１、・・・、スイッチ７１３−１、スイッチ７１３−Ｍの順に切り替える。いずれにしても、スイッチ７１３−１がＯＮの状態で受信された所定の周期のサンプリング信号列｛Ｓ１（１），Ｓ１（２），Ｓ１（３），・・・，Ｓ１（ＮＦＦＴ）｝と、このサンプリングデータに対してスイッチ７１３−ｍ（ｍは２〜Ｍの整数）が上述の周期性でＯＮ状態に制御されることによって受信された所定の周期のサンプリング信号列｛Ｓｍ（１），Ｓｍ（２），Ｓｍ（３），・・・，Ｓｍ（ＮＦＦＴ）｝とを用い、移相器７３２−ｍに設定すべき複素位相の回転量を求める。
【００６７】
同様に、測定ポイントｇ−１については、移相器７４２−１〜７４２−Ｍに接続されるスイッチ７２３−１〜７２３−Ｍのうちの１つだけをＯＮ状態にして測定ポイントｇ−１から送信されるトレーニング信号を受信することにより、上述の測定ポイントａ−１と同様の処理で測定ポイントｇ−１についての複素位相回転量を求めることができる。
【００６８】
相関算出回路７０５は、上記の式（１）〜式（３）を用いて複素位相の回転量を算出する。相関算出回路７０５は、このようにして算出した複素位相の回転量を、位相シフト制御回路７０６に出力する。位相シフト制御回路７０６は、相関算出回路７０５から出力された位相回転量を各セルに対応づけて記憶し、管理する。
【００６９】
送信側のアンテナ素子７０１−１〜７０１−Ｍと受信側のアンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍとが幾何学的に同等の配置関係を持ち、且つ平行移動した位置関係にある場合、各セルに対応して受信側で形成する指向性ビームのビームパターンと、送信側で形成すべきビームパターンとを共通化することも可能である。この場合には、相関算出回路７０５で算出した受信時に用いる（移相器７３２−１〜７３２−Ｍ及び移相器７４２−１〜７４２−Ｍに与える）複素位相の回転量は、必要に応じて送信時に用いる（移相器７１２−１〜７１２−Ｍ及び移相器７２２−１〜７２２−Ｍに与える）複素位相の回転量に換算することが可能である。この換算は、インプリシットフィードバックにおけるキャリブレーション処理と同様に、ハイパワーアンプ（ＨＰＡ）とローノイズアンプ（ＬＮＡ）との複素位相の不確定性を補正することによって可能となる。この換算処理を相関算出回路７０５で行い、位相シフト制御回路７０６が、送信側に関する複素位相の回転量を各セルに対応づけて記憶し、管理する。なお、このように管理される複素位相の回転量は、基本的には送受信共にサービス運用中においては固定値として用いられることが想定される。このような場合、基地局装置１は、位相シフト制御回路７０６を備えずに、相関算出回路７０５が直接、移相器７１２−１〜７１２−Ｍ、移相器７２２−１〜７２２−Ｍ、移相器７３２−１〜７３２−Ｍ、移相器７４２−１〜７４２−Ｍに複素位相回転量を設定するように構成されてもよい。
【００７０】
なお、基地局装置１の送信側にＨＰＡ等を備え、受信側にＬＮＡ等を備えてもよい。この場合、ＨＰＡは図中の点Ａ及び点Ｃ１〜点Ｃ３のうちのどちらか又は両方の点に配置され、ＬＮＡは図中の点Ｂ及び点Ｄ１〜点Ｄ３のうちのどちらか又は両方の点に配置される。ＨＰＡは図中の点Ｃ１〜点Ｃ３に、ＬＮＡが図中の点Ｄ１〜点Ｄ３に配置される場合には、キャリブレーション処理により送受信間及びアンテナ素子間の複素位相の不確定性を補正する必要がある。これらのキャリブレーションや複素位相の不確定性を補正する方法には、既存の如何なる方法が用いられても構わない。なお、本実施形態では、送信信号処理回路７９２−１〜７９２−Ｎ間及び受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎ間で協調して指向性を形成することを想定していないため、各アンプを点Ａ及び点Ｂのみに配置する場合、ＨＰＡ及びＬＮＡにおける複素位相の不確定性を除去するキャリブレーション処理を送信信号処理回路又は受信信号処理回路ごとに行う必要はない。
【００７１】
以上、簡単のため、セル６５１〜６５６のうちのいずれか１つのセルに対して指向性を形成する動作例を説明したが、サービスエリアに複数のセルが存在する場合には、複数のセルに対する上記の動作が送信信号処理回路７９２−１〜７９２−Ｎ間及び受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎ間で順番に又は並列的に実行される。ここではアップコンバータ１２３及びダウンコンバータ１２４の説明において、利用する周波数チャネルに関して明示していなかったが、図１に示す様に複数の周波数チャネルを用いて周波数棲み分けを行う場合には、各アップコンバータ１２３及びダウンコンバータ１２４では対応するセルに割り当てられた周波数チャネルに対応して無線周波数とベースバンドの間の周波数変換を行う。ないしは、ひとつの基地局装置ではひとつの周波数チャネルのみのセルをカバーし、異なる周波数チャネルのセルに関しては異なる基地局装置で対応する構成としても構わない。
【００７２】
以上、送受信アンテナ分離型の基地局装置１について説明したが、送信信号処理回路の動作と受信信号処理回路の動作とを切り替える機構を備えることにより、基地局装置１を送信部７９４及び受信部７９５が統合された送受信アンテナ共用型の基地局装置として構成することも可能である。
【００７３】
図６は、第１の実施形態の基地局装置１を送受信アンテナ共用型として構成する場合における送受信信号処理回路７９１の機能構成の具体例を示す図である。送受信信号処理回路７９１（第３の回路）は、送受信アンテナ分離型の基地局装置１が備える送信信号処理回路７９２−１〜７９２−Ｎ及び受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎを１つの回路で実現する信号処理回路である。なお、図６においては、図５と同様の符号を付すことにより、送信信号処理回路７９２−１〜７９２−Ｎ及び受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎと同様の機能部についての説明を省略する。
【００７４】
送受信信号処理回路７９１は、Ｄ／Ａ変換器１２２、アップコンバータ１２３、ダウンコンバータ１２４、Ａ／Ｄ変換器１２５、ＴＤＤスイッチ１２７、アンテナ素子７０１−１〜７０１−Ｍ、相関算出回路７０５、位相シフト制御回路７０６、分配結合器７０７−１〜７０７−Ｍ、移相器７１２−１〜７１２−Ｍ、スイッチ７１３−１〜７１３−Ｍ、分配結合器７１４−１〜７１４−Ｍ’、移相器７２２−１〜７２２−Ｍ及びスイッチ７２３−１〜７２３−Ｍを備える。ここでＭは、図５と同様に、送受信信号処理回路７９１が備えるサブアレーのアンテナ素子の数に対応している。また図４と同様に、各送受信信号処理回路７９１とアンテナ７０１との間には、各送受信信号処理回路７９１−１が出力する信号とその他の送受信信号処理回路７９１−２〜７９１−Ｎから出力される信号とを合成する、又は各受信信号処理回路７９１−１とその他の送受信信号処理回路７９１−２〜７９１−Ｎとに信号を分配するための分配結合器７５１−１〜７５１−Ｍが配置される。図６においては、分配結合器７５１−１〜７５１−Ｍが送信信号処理回路７９１−１に接続される状況を選択的に示している。
【００７５】
また、図６には図示していないが、基地局装置１がＮ個のセルとの間でＮ多重の空間多重伝送を行う場合、送受信信号処理回路７９１−１〜７９１−Ｎには図４と同様のベースバンド信号処理回路が接続される。送受信信号処理回路７９１〜７９１−Ｎとベースバンド信号処理回路とは有線で接続され、この有線接続上でデジタル・ベースバンド信号が転送される。基地局装置１が送受信アンテナ共用型として構成される場合、送受信アンテナ分離型の基地局装置１と同様に、装置全体を制御する図示しない制御回路がベースバンド信号処理回路上に備えられる。フレーム周期や送受信タイミングの他、ＴＤＤスイッチ１２７〜Ｎの切り替えや位相シフト制御回路７０６の切り替えもこの制御回路によって制御される。
【００７６】
このように構成される送受信アンテナ共用型の基地局装置１では、送信時及び受信時における信号の入出力がＴＤＤスイッチ１２７によって切り換えられる。具体的には、送信時においては、ＴＤＤスイッチ１２７はアップコンバータ１２３と分配結合器７２６とを接続するように制御される。これにより、送信時においては、アップコンバータ１２３から出力されるアナログの無線周波数の信号が分配結合器７２６に出力される。
【００７７】
一方、受信時及び複素位相回転量の算出時においては、ＴＤＤスイッチ１２７はダウンコンバータ１２４と分配結合器７２６とを接続するように制御される。これにより、受信時においては、分配結合器７２６から出力される受信信号がダウンコンバータ１２４に出力される。このような信号の入出力の切り替えが行われることによって、送受信アンテナ共用型の基地局装置１は、送受信アンテナ分離型の基地局装置１と同様に動作することができる。
【００７８】
なお、キャリブレーションが必要な場合には、ハイパワーアンプは図中の点Ａに配置され、ローノイズアンプは図中の点Ｂに配置される。また、基地局装置１が送受信アンテナ分離型である場合と同様の理由により、各アンプを点Ａ又は点Ｂに配置する場合、ハイパワーアンプ及びローノイズアンプにおける複素位相の不確定性を除去するキャリブレーション処理を送信信号処理回路又は受信信号処理回路ごとに行う必要はない。
【００７９】
ここで、基地局装置１を送受信アンテナ共用型として構成する場合の注意点を述べる。送受信アンテナを複数のセルに対応する送受信信号処理回路７９１−１〜７９１−Ｎで共用する場合には、あるセルに対応する送受信信号処理回路７９１−ｍと別のセルに対する送受信信号処理回路７９１−ｍ’との間の独立性が適切に確保される必要がある。もし、この独立性が確保されない場合、送信信号と受信信号とが混在して適切な信号処理が行えなくなる可能性がある。この様な問題は、通信制御回路が管理する所定のフレーム構成において各セルの送信タイミングと受信タイミングとを全てのセルで一致させることで解決することが可能である。この場合には、基地局装置１は、フレーム構成に合わせてＴＤＤスイッチを切り替えることになる。ここで基地局装置１は、基地局装置がフレームタイミングを管理する基地局集中制御型として、ユーザ端末がフレーム周期を把握できるようにするための（ダウンリンクにおいてフレーム先頭を検出するための）同期信号を周期的に送信し、ユーザ端末はこのフレーム周期に同期して送受信タイミングを把握する。ただし、現在のＷｉ−Ｆｉでは基本的にフレーム周期を持たない自律分散型の制御を採用しているために、送信タイミングと受信タイミングとを各セルで同期させることができない。このため、同一セルに対しては送受信アンテナを共用することは出来ても、異なるセル間で送受信アンテナを共用することが出来ない。この意味で、Ｗｉ−Ｆｉに適用する場合の基地局装置１の構成は図４及び図５に示した構成が適している。
【００８０】
以上説明した本発明第１の実施形態の基地局装置１によれば、サービスエリアを複数のセルに分割して周波数チャネルの棲み分けを行いつつ、各セル間の干渉が抑制された無線通信環境を実現することができる。具体的には、スタジアムなどの高所に基地局装置を設置することを想定した場合、各ユーザ側の無線局装置が上向きに指向性利得が高いアンテナ素子を備えることによって隠れ端末の影響を低減することができる。例えば、ユーザ端末において、指向性利得を上向きに設定して動作させる「スタジアムモード」などが設けられても良い。
【００８１】
また、従来の指向性形成技術を用いた場合、例えばセル６５１及びセル６５５内の無線局装置がそれぞれ基地局装置に向けて信号を送信しているような状況では、基地局装置はセル６５１及びセル６５５内の無線局装置がＯＦＤＭのシンボルタイミングを同期できていないと、それぞれセルのユーザ端末の信号を適切に分離することが出来なかった。しかしながら、本実施形態では時間軸ビームフォーミング技術を併用することが可能となる。この結果、信号分離のために時間軸の信号を周波数軸上に変換（ＦＦＴ）する必要がなく、各サンプリングデータ単位で指向性が形成される。そのため、各無線局装置がＯＦＤＭのシンボルタイミングを同期させる必要もない。さらに、本実施形態のように基地局装置を図４及び図５に示す送受信アンテナ分離型として構成した場合、送信アンテナと受信アンテナとが分離されているため、あるセルからの信号を受信している最中であっても、他のセルに向けて信号送信することも可能となる。
【００８２】
［第２の実施形態］
第２の実施形態では、指向性形成をデジタル信号処理により実現する基地局装置の構成について説明する。以下、第２の実施形態の基地局装置を基地局装置２と記載する。
【００８３】
図７は、本発明第２の実施形態の基地局装置２の機能構成の具体例を示すブロック図である。第１の実施形態にも記載したとおり、一般に、基地局装置の構成は、送受信アンテナの態様によって送受信アンテナ分離型と送受信アンテナ共用型とに分類される。これは、基地局装置が、指向性形成をデジタル信号処理によって実現するように構成された場合においても同様であり、以下に示す基地局装置２の構成は、送受信アンテナ分離型と送受信アンテナ共用型とのいずれにも適用可能である。ここでは一例として、基地局装置２が、送受信アンテナ分離型として構成された場合について説明する。なお、図７の説明では、第１の実施形態の基地局装置１と同じ符号を付すことにより、同様の機能部についての説明を省略する。
【００８４】
図７に示す第２の実施形態の基地局装置２は、ベースバンド信号処理回路１５０と、送信部７９６と、受信部７９７と、を備える。ベースバンド信号処理回路１５０は、変調器（ＭＯＤ）１２０−１〜１２０−Ｎ、復調器（ＤＥＭ）１３０−１〜１３０−Ｎ及び信号分離回路１４１を備える。送信部７９６は、アンテナ素子７０１−１〜７０１−Ｍ、時間軸送信ウエイト乗算回路７７１、加算器７８１、Ｄ／Ａ変換器７８２、アップコンバータ７８３を備える。受信部７９７は、アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍ、受信信号処理回路７７５−１〜７７５−Ｎ、ダウンコンバータ７８４−１〜７８４−Ｍ、Ａ／Ｄ変換器７８５−１〜７８５−Ｍ、複製器７８６−１〜７８６−Ｍを備え、受信信号処理回路７７５―ｎは、ウエイト算出回路７７２−ｎ、相関算出回路７７３−ｎ、時間軸受信ウエイト乗算回路７７４−ｎ（ｎ＝１，…，Ｎ）を備える。ここで、第１の実施形態と同様に、Ｎは基地局装置２が無線通信サービスを同時に提供することができるセルの数に対応し、Ｍはアンテナ素子の数に対応する。
【００８５】
以下、図７を参照し、具体的な信号処理の流れについて説明する。
［１．送信の流れ］
まず、送信部７９６に、セル毎の変調器１２０から送信データのデジタル・ベースバンド信号が入力される。変調器１２０―ｎから出力される信号は時間軸送信ウエイト乗算回路７７１−ｎに入力される。時間軸送信ウエイト乗算回路７７１−ｎは、１系統の入力信号をＭ系統に複製し、複製されたＭ系統の信号に対応するアンテナ素子の時間軸送信ウエイトをサンプリングデータ単位で乗算する。乗算されたＭ系統の信号は、それぞれ加算器７８１−１〜７８１−Ｍに入力される。加算器７８１−１〜７８１−Ｍには、各変調器１２０−１〜１２０−Ｎに対応する時間軸送信ウエイト乗算回路７７１−１〜７７１−Ｎから出力されるＮ系統の信号が入力される。加算器７８１−１〜７８１−Ｍは、入力されたＮ系統の信号をサンプリングデータ単位で加算する。加算結果はＤ／Ａ変換器７８２−１〜７８２−Ｍに入力され、デジタル信号からアナログ信号に変換される。これらの信号は、アップコンバータ７８３−１〜７８３−Ｍによってベースバンド信号から無線周波数帯の信号に変換された後、アンテナ素子７０１−１〜７０１−Ｍによって送信される。アンテナ素子７０１−１〜７０１−Ｍから送信される各信号は、対応するいずれかのセル方向にそれぞれ指向性を持つ。すなわち、基地局装置２の送信信号は、各セル方向に指向性を持つ複数の信号が重畳された信号となる。
【００８６】
［２．受信の流れ］
まず、アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍによって各セルに存在する無線局装置から送信された信号が受信される。アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍのそれぞれは、受信信号を対応するダウンコンバータ７８４−１〜７８４−Ｍに出力する。ダウンコンバータ７８４−１〜７８４−Ｍのそれぞれは、受信信号を無線周波数の信号からベースバンドの信号に周波数変換し、対応するＡ／Ｄ変換器７８５−１〜７８５−Ｍに出力する。Ａ／Ｄ変換器７８５−１〜７８５−Ｍのそれぞれは、アナログ信号であるベースバンド信号をサンプリングしてデジタル信号に変換し、対応する複製器７８６−１〜７８６−Ｍに出力する。複製器７８６−１〜７８６−Ｍのそれぞれは、デジタル信号に変換されたベースバンド信号をＮ系統に複製し、複製した信号のそれぞれを対応する受信信号処理回路７７５―１〜７７５−Ｎに出力する。
【００８７】
受信信号処理回路７７５―ｎ（ｎは１≦ｎ≦Ｎの整数）にはそれぞれアンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍに対応したＭ系統の信号が入力される。受信信号処理回路７７５−ｎ内の相関算出回路７７３−ｎは、アンテナ素子７４１−１〜７４１−Ｍ間の相関に基づいて送受信ウエイトを算出する処理を行うが、通常のデータ受信時においてはこの処理を行わず、入力されたＭ系統の信号をそのまま時間軸受信ウエイト乗算回路７７４−ｎに出力する。時間軸受信ウエイト乗算回路７７４−ｎは、ウエイト算出回路７７２−ｎから指示された第ｎセルに対応する時間軸受信ウエイトを各系統の信号にサンプリングデータ単位で乗算する。時間軸受信ウエイト乗算回路７７４−ｎは、乗算後の各系統の信号をサンプリングデータ単位で加算し、これを信号分離回路１４１に出力する。
【００８８】
このような受信処理において、時間軸受信ウエイト乗算回路７７４―ｎが第ｎセル方向に指向性を形成することにより、基地局装置２はその指向性方向に位置するセル内に存在する無線局装置と通信を行う。
【００８９】
［３．複素位相の回転量の算出］
第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、基地局装置２がサービス運用中において固定的な指向性ビームを形成することにより、個別のセル間の信号の混信を回避する。固定的な指向性は、サービスの運用開始前に事前に取得する情報を基に形成することが可能であり、以下に示す処理はサービス運用開始前に事前に行う処理とすることが可能である。更に、サービス運用期間中においても、固定的な指向性は必要に応じて更新可能である。例えば夜間などのサービス休止時間を利用して更新することも可能である。
【００９０】
まず時間軸受信ウエイトは、第ｎセルの各測定ポイントに位置する各測定用送信装置から連続してトレーニング信号を送信し、基地局装置２の相関算出回路７７３−ｎがこれらのトレーニング信号の受信信号に基づいて算出する。第１の実施形態と同様に、アンテナ素子７４１で受信された信号は、ダウンコンバータ７８４、Ａ／Ｄ変換器７８５、複製器７８６を経由して受信信号処理回路７７５―ｎにＭ系統の信号として入力される。受信信号処理回路７７５―ｎにおける相関算出回路７７３−ｎは、第ｎセルの第ｍ測定ポイントから送信されたトレーニング信号を受信した際に、受信されたトレーニング信号に対して所定の周期性（例えばＮＦＦＴサンプル）を持つサンプリングデータを、Ｍ系統でタイミングを揃えて取得する。これをサンプリング信号列｛Ｓｎ−ｍ（１），Ｓｎ−ｍ（２），Ｓｎ−ｍ（３），・・・，Ｓｎ−ｍ（ＮＦＦＴ）｝とし、相関算出回路７７３−ｎは、基準アンテナ（例えば第１アンテナとする）との相関を、上記の式（１）を用いて取得する。
【００９１】
さらに、相関算出回路７７３−ｎは、式（２）により測定ポイント別受信ウエイトを算出する。なお、式（２）では規格化のために複素係数ｃｊの絶対値で除算しているが、デジタル信号処理の場合には、最大比合成とするために規格化のための除算を省略しても良い。図２に示す様に、複数の測定ポイントについて個別に求めた測定ポイント別受信ウエイトはウエイト算出回路７７２−ｎに入力される。ウエイト算出回路７７２−ｎは、第ｎセルの複数の測定ポイントの測定ポイント別受信ウエイトを、アンテナ素子別に加算することによってそれぞれのアンテナ素子の受信ウエイトを算出する。このように算出された時間軸受信ウエイトは、時間軸受信ウエイト乗算回路７７４−ｎに入力される。時間軸受信ウエイト乗算回路７７４−ｎは、この時間軸受信ウエイトを記憶し、その後の受信信号処理において、サンプリングデータ単位でこの時間軸受信ウエイトを乗算する。
【００９２】
また、本図では明示していないが、図におけるＣ１〜Ｃ３の点には通常ＨＰＡが、Ｄ１〜Ｄ３の点には通常ＬＮＡが実装されるため、それぞれのアンプにおいて信号に付与される複素位相の不確定性がある。この不確定性をインプリシットフィードバックにおける一般的なキャリブレーション処理などにより適宜補正することで、時間軸受信ウエイトは時間軸送信ウエイトに変換される。ウエイト算出回路７７２−ｎは、このキャリブレーション処理を適宜実施し、これを時間軸送信ウエイト乗算回路７７１−ｎに入力する。時間軸送信ウエイト乗算回路７７１−ｎは、その後の送信時において、サンプリングデータ毎に、送信信号に時間軸送信ウエイトを乗算する。なお、第ｎセルの時間軸送受信ウエイトを算出する処理を実行している間は、その他の受信信号処理回路７７５は動作を停止していても良い。また、どのセルのどの測定ポイントからトレーニング信号を送信しているかなどは、別途、遠隔の操作により図示しない制御回路により管理・制御されるものとする。
【００９３】
第１の実施形態での説明と同様、図７に示す第２の実施形態でも時間軸ビームフォーミング技術を併用することが可能である。この結果、信号分離のために時間軸の信号を周波数軸上に変換（ＦＦＴ）する必要がなく、各サンプリングデータ単位で指向性が形成される。そのため、各無線局装置がＯＦＤＭのシンボルタイミングを同期させる必要もない。さらに、本実施形態のように基地局装置を図７に示す送受信アンテナ分離型として構成した場合、送信アンテナと受信アンテナとが分離されているため、あるセルからの信号を受信している最中であっても、他のセルに向けて信号送信することも可能となる。
【００９４】
図８は、本発明第２の実施形態の基地局装置２が送受信アンテナ共用型として構成された場合の機能構成の具体例を示すブロック図である。図７の説明と同様に、図８では、第１の実施形態の基地局装置１と同じ符号を付すことにより、同様の機能部についての説明を省略する。
【００９５】
図８に示す基地局装置２は、ベースバンド信号処理回路１５０と、送信部７９６と、受信部７９７と、ＴＤＤスイッチ７７７とを備える。ベースバンド信号処理回路１５０、送信部７９６及び受信部７９７の動作は、図７における動作と同様である。図７との差分は、図７では送信アンテナ７０１と受信アンテナ７４１が分離されていたのに対し、図８では送受信アンテナ７０１が共用されている点である。このアンテナの共用は、アンテナ７０１とアップコンバータ７８３及びダウンコンバータ７８４との間に配置されるＴＤＤスイッチ７７７によって実現される。ＴＤＤスイッチ７７７は、信号送信時にはアンテナ７０１−ｍをアップコンバータ７８３−ｍと接続し、信号受信時にはアンテナ７０１−ｍをダウンコンバータ７８４−ｍと接続する。ここで、信号受信時であるか信号送信時であるかは、図示されていない制御回路によりＴＤＤスイッチ７７７に通知される。ＴＤＤスイッチ７７７は、制御回路からの指示に従い接続先を切り替える。
【００９６】
なお、ここでは全てのセルでアンテナ素子７０１を共用しているため、例えば第１セルからの信号受信時に、第２セル宛ての信号を送信することはできない。したがって、全てのセルで送信タイミングと受信タイミング（アップリンクとダウンリンクのタイミング）とが同期されている必要があり、フレーム構成などを用いて制御回路がそのタイミングを管理する。この点は、第１の実施形態と同様である。
【００９７】
［実施形態に関する補足事項］
以下、以上説明した本発明実施形態に関する補足事項を以下に示す。
【００９８】
上述のアップコンバータ１２３及びダウンコンバータ１２４には、無線周波数の信号とベースバンドの信号の間の周波数変換を行うために、ローカル発振器からの信号の入力が必要となる。ただし、本発明第１の実施形態では、各送信信号処理回路７９２−１〜７９２−Ｎ間及び各受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎ間で信号処理を協調して行うことを想定していないため、必ずしも共通のローカル発振器を利用する必要はない。一方、本発明第２の実施形態では、送信部７９６及び受信部７９７内のアップコンバータ７８３−１〜７８３−Ｍ及びダウンコンバータ７８４−１〜７８４−Ｍは、それぞれが協調してビームを形成するため、ローカル発振器から供給する信号は共通化されている必要がある。ただし、本実施形態では、記述が煩雑になることを回避するために、ローカル発振器の図示を省略している。
【００９９】
一つの基地局装置で複数の周波数チャネルをサポートする場合、測定ポイントは例えば次の図９に示されるように各セルに複数地点設定される。図９は、サービスエリア内の各セルについて設定された測定ポイントの具体例を示す図である。この場合、基地局装置２は、ａ−１〜ｇ−１、ａ−２〜ｇ−２、・・・、ａ−６〜ｇ−６のそれぞれの測定ポイントから送信されるトレーニング信号を受信して複素位相の回転量を算出する。この場合、例えば受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎの入力端にフィルタなどの周波数分離器を配置することによって、異なる周波数チャネル間の信号分離を行うようにしてもよい。このように構成された基地局装置２は、周波数チャネルが異なる複数のセルから同時に送信されたトレーニング信号を分離することができるため、異なるセルの位相回転量ないしは送受信ウエイトの算出を並行して行うこともできる。
【０１００】
一般に位相回転量ないしは送受信ウエイトの取得は、時間的な制約のないサービス提供前の準備段階で行われることが多いため、必ずしも上記のように複数セルについて並行して行う必要はなく、測定ポイントａ−１〜ｇ−１、ａ−２〜ｇ−２、・・・、ａ−６〜ｇ−６のそれぞれから順番にトレーニング信号を送信して位相回転量を取得するようにしてもよい。例えば、図９の例において、セル６５１の測定ポイントａ−１〜ｇ−１から順番にトレーニング信号が送信される場合には、受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎのうち、セル６５１に対応する受信信号処理回路７９３−１のみが位相回転量の算出を行うようにしてもよい。同様に、セル６５２の測定ポイントａ−２〜ｇ−２から順番にトレーニング信号が送信される場合には、受信信号処理回路７９３−１〜７９３−Ｎのうち、セル６５２に対応する受信信号処理回路７９３−２のみが位相回転量の算出を行うようにしてもよい。
【０１０１】
なお、サービス運用開始前に複素位相の回転量を設定する作業、ないしは時間軸送受信ウエイトを算出する作業などを実施する際に、どのセルのどの測定ポイントからトレーニング信号が送信されているかは、別途、制御回路が管理することとしているが、トレーニング信号を送信していることなどを通知するために、ここでは明記していない別の通信機能が基地局装置に備えられても良い。例えば、通信速度の低い別の無線回線を用いて直接制御回路に指示を出す構成としても良いし、ベースバンド信号処理回路１５０が接続するネットワークを介してこの種の情報を通知しても良い。
【０１０２】
また、この各測定ポイントからのトレーニング信号の送信機能は、データ通信を行う無線局装置に実装されても良いし、基地局装置の設置時に行う作業時にのみ用いる専用のトレーニング信号送信器（測定用送信装置）により実現されても構わない。専用のトレーニング信号送信器は、サービス運用中にも常に同じ場所に設置しておき、例えば１日に１回とか所定の周期で設定情報（複素位相の回転量や時間軸送受信ウエイトなど）の更新を行う構成とされても良いし、基地局装置の設置作業時にひとつのトレーニング信号送信器を各測定ポイントに移動して、使いまわしても構わない。なお、このトレーニング信号送信機には指向性アンテナを実装し、基地局装置の設置作業時には基地局装置方向に指向性を向けてトレーニング信号を送信することが好ましい。
【０１０３】
なお、各測定ポイントから送信するトレーニング信号は、アンテナ素子毎の相関を算出することが可能であれば如何なるパターンの信号であっても構わない。例えば、Ｗｉ−Ｆｉのプリアンブルの信号の様な信号であっても良いし、ＯＦＤＭ信号であってもガードインターバルなどを含まない、単なる正弦波または複数周波数成分の正弦波を合成した信号であっても良い。ないしは、その他の独自の信号であっても構わない。なお、基地局装置が備える複数のアンテナ素子に対してある方向から到来する信号を平面波で近似すると、各アンテナ素子が配置される平面と到来する平面波の波面との角度差により、アンテナ素子毎の経路長差が生じる。そのため、基地局装置では、このアンテナ素子毎の経路長差に伴い微妙に遅延量が異なる信号が受信されることになる。この場合、受信信号（又はダウンコンバータで無線周波数からベースバンドに変換された後の信号）が、その遅延量差より短い周期性を持つパターンの信号であると問題となり得るが、それよりも長い（正確には想定される遅延量差の２倍以上）の周期性を持つ信号であれば、如何なる信号であっても構わない。
また、式（１）における相関算出においては所定の周期性としてＯＦＤＭ信号の場合にはＦＦＴポイント数であるＮＦＦＴサンプルに渡り相関算出を行うとしたが、例えばＮＦＦＴの整数倍であっても周期性は維持される様に、その他のサンプル数に渡る相関算出を行っても構わない。
【０１０４】
また、第１の実施形態においては無線周波数のアナログ信号上で複素位相の回転を行っていたが、アップコンバータの位置を変更し、ベースバンドまたは中間周波数のアナログ信号に対して複素位相の回転を与え、その後段または前段で無線周波数との周波数変換を行う構成としても良い。
さらには送受信アンテナを分離して運用する場合に、送信アンテナから受信アンテナへの信号の漏れ込を避けるために、壁状の障害物を配置しても良い。
【０１０５】
前述した実施形態における基地局装置、無線局装置をコンピュータで実現する様にしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。更に「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線の様に、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリの様に、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、更に前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。
【０１０６】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明は、複数アンテナにより無線信号を送受信する無線通信装置に適用可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１、２…基地局装置
１５０…ベースバンド信号処理回路
１２０−１〜１２０−Ｎ…変調器（ＭＯＤ）
１３０−１〜１３０−Ｎ…復調器（ＤＥＭ）
１４１…信号分離回路
７９４、７９６…送信部
７０１−１〜７０１−Ｍ…アンテナ素子
７５１−１〜７５１−Ｍ…分配結合器（ＨＹＢ）
７９２−１〜７９２−Ｎ…送信信号処理回路
１２２、７８２−１〜７８２−Ｍ…Ｄ／Ａ変換器
１２３、７８３−１〜７８３−Ｍ…アップコンバータ
７０７−１〜７０７−Ｍ…分配結合器
７１２−１〜７１２−Ｍ…移相器
７１４−１〜７１４−Ｍ’…分配結合器
７２２−１〜７２２−Ｍ…移相器
７２７…分配結合器
７７１−１〜７７１−Ｎ…時間軸送信ウエイト乗算回路
７８１−１〜７８１−Ｍ…加算器
７９５、７９７…受信部
７４１−１〜７４１−Ｍ…アンテナ素子
７５２−１〜７５２−Ｍ…分配結合器（ＨＹＢ）
７９３−１〜７９３−Ｎ…受信信号処理回路
１２５、７８５−１〜７８５−Ｍ…Ａ／Ｄ変換器
１２４、７８４−１〜７８４−Ｍ…ダウンコンバータ
７０５、７７３−１〜７７３−Ｎ…相関算出回路
７０６…位相シフト制御回路
７０８−１〜７０８−Ｍ…分配結合器
７１３−１〜７１３−Ｍ、７２３−１〜７２３−Ｍ…スイッチ
７２８…分配結合器
７３２−１〜７３２−Ｍ…移相器
７３４−１〜７３４−Ｍ’…分配結合器
７４２−１〜７４２−Ｍ…移相器
７７２−１〜７７２−Ｎ…ウエイト算出回路
７７４−１〜７７４−Ｎ…時間軸受信ウエイト乗算回路
７８６−１〜７８６−Ｍ…複製器
７９１…送受信信号処理回路
１２７、７７７…ＴＤＤスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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