(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、複数のアンテナを持つ基地局とそれより少ないアンテナ数の端末との間の無線通信において、端末の信号処理量や消費電力を増やすことなく、基地局のアンテナ数に見合ったスペースダイバーシティの効果を、上り通信だけでなく下り通信においても得ることにある。【解決手段】同一の端末との間で行なった直前の上り通信において受信した電波のＳＮ比が最も大きかったアンテナから、下り通信に使う電波を送信する。さらに、定期的に搬送波の周波数を変化させるいわゆる周波数ホッピング方式を用いた無線通信方法においては、下り通信に使用する搬送波の周波数を、同一の端末との間で行なった直前の上り通信に使用した搬送波の周波数と同じになるようにする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上り通信と下り通信を時分割で行い、端末が送信する上り通信の電波を複数のアンテナにより基地局が受信する無線通信方法において、
下り通信に使う電波は、上記端末との間で行なった先のタイミングの上り通信において受信した電波の品質に応じて下り通信に用いるアンテナを選択することを特徴とする無線通信方法。
【請求項２】
あらかじめ定めた手順に従って定期的に搬送波の周波数を変化させる方式を用いた無線通信方法において、
下り通信に使用する搬送波の周波数が、上記端末との間で行なった先のタイミングの上り通信に使用した搬送波の周波数と同じになるように、上記あらかじめ定めた手順を設定したことを特徴とする請求項１の無線通信方法。
【請求項３】
上り通信と下り通信を時分割で行う基地局装置であって、
端末が送信する上り通信の電波を受信する複数のアンテナと、該複数のアンテナのいずれを下り通信に用いるかを判定する判定部とを有し、
上記判定部は、上記端末との間で行なった先のタイミングの上り通信において受信した電波の品質に応じて下り通信に用いるアンテナを選択することを特徴とする基地局装置。
【請求項４】
定期的に搬送波の周波数を変化させる方式を用いた無線通信用の基地局装置において、
下り通信に使用する搬送波の周波数が、上記端末との間で行なった先のタイミングの上り通信に使用した搬送波の周波数と同じになるように構成したことを特徴とする請求項３の基地局装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基地局と端末の間の無線通信方法に関し、特に端末のアンテナ数が基地局のアンテナ数より少ない場合において、上り通信の時に得られるスペースダイバーシティ効果と同等の効果を下り通信の時にも得るための無線通信方法に関する。
【０００２】
本発明はまた、そのための基地局の構成に関する。
【０００３】
【従来の技術】
電波を使った無線通信を行なう場合、通常の環境では電波を反射したり吸収したりする物体が多数存在する。従って、送信側から受信側に至る電波の経路が複数存在し、異なる経路を通ってきた電波が干渉により強め合う場合もあれば弱め合う場合もある。すると、送信側と受信側の距離が通常なら通信可能な程度に近くても、電波の干渉により弱め合う場合には通信できなくなることがある。
【０００４】
これを対策する方法として、非特許文献１等に紹介されているような、スペースダイバーシティという方法がよく知られている。この方法は、受信側のアンテナを複数用意し、複数のアンテナが受信する信号の中で信号対雑音比（以下、ＳＮ比と称する）がより大きいものを選択したり、複数のアンテナが受信する信号を合成したりする方法である。２本のアンテナの位置を電波の波長の４分の１程度離せば、一方のアンテナ位置において受信電力が極大となっても他方のアンテナ位置で極小となることが有り得る。更に離せば離すほど、それぞれの位置において電波が強め合うか弱め合うかの相関は弱くなっていく。従って、２本のアンテナが受信する電波が両方とも弱め合うことになる確率は１本のアンテナが受信する電波が弱め合うことになる確率より低くなり、電波の干渉によって通信できなくなる確率を低減できる。受信側のアンテナ数を多くすればその効果はより大きくなる。
【０００５】
【非特許文献１】田中良一・中山浩著、「やさしいディジタル無線」、改定２版、社団法人電気通信協会、１９９９年４月、ｐ．６３−６５
【非特許文献２】標準仕様書“ＡＲＩＢ  ＳＴＤ−Ｔ６３−２５．２１１  Ｖ３．１２．０”、［ｏｎｌｉｎｅ］、セクション５．３．１．１．１及び５．３．２．１、２００２年９月、社団法人電波産業会、［２００３年５月１４日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｒｉｂ．ｏｒ．ｊｐ／ＩＭＴ−２０００／Ｖ３３０Ｍａｒ０３／Ｔ６３／Ｒ９９／２５／Ａ２５２１１−３ｃ０．ｐｄｆ＞、
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
固定された場所に据え置いたり車両等に搭載する無線局の場合は、装置が大きくなったり重くなったりすることによるデメリットは比較的小さいため、アンテナを複数設けることは比較的容易である。しかし、人が持ち歩くような無線局の場合は、なるべく小型軽量であることが望ましく、従ってアンテナは１本であることが望ましい。すると、固定された場所に据え置いたり車両等に搭載した基地局と人が持ち歩く端末との間で無線通信を行なうような場合、端末から基地局へ向けて（以下、上りと称する）の通信では受信側のアンテナを複数にすることが比較的容易であるが、基地局から端末へ向けて（以下、下りと称する）の通信では受信側のアンテナを複数にすることが困難である。従って、上り通信では上記のようなスペースダイバーシティの手法が使えるが、下り通信ではこの手法が使えないことになる。本発明が解決しようとする課題は、端末の形状を大きくしたり重量を重くしたりすることなく、下り通信においてスペースダイバーシティによる受信特性改善の効果を得られるようにすることにある。
【０００７】
なお、基地局の２本のアンテナを使って下り通信でもスペースダイバーシティによる受信特性改善の効果を得る方法が、非特許文献２などに記載されている。これらの方法は、送信する側のアンテナを時分割で切り替えたり、２本のアンテナから送信する信号の位相差を時分割で変化させたりする方法である。いずれの場合も、端末のアンテナは１本だけでスペースダイバーシティによる受信特性改善の効果が得られる。しかし、基地局の各アンテナから送信される信号を両方とも端末が復調した上で選択または合成する必要がある。従って、その分だけ端末の信号処理量が増えるため、端末の消費電力が増え重いバッテリが必要となる。本発明が解決しようとする課題は、端末の形状を大きくしたり重量を重くしたりすることなく、下り通信においてスペースダイバーシティによる受信特性改善の効果を得られるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、端末が送信する上り通信のための電波を複数のアンテナにより基地局が受信する無線通信方法において、下り通信に使う電波を、同一の端末との間で行なった直前の上り通信において受信した電波のＳＮ比がより大きかったアンテナから送信することにより解決される。
【０００９】
さらに、定期的に搬送波の周波数を変化させるいわゆる周波数ホッピング方式を用いた無線通信方法においては、下り通信に使用する搬送波の周波数を、同一の端末との間で行なった直前の上り通信に使用した搬送波の周波数と同じになるようにすることにより、スペースダイバーシティによる受信特性改善の効果をより大きくすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例の１つを、図１を用いて説明する。図１において、基地局を１００、基地局の第１および第２のアンテナをそれぞれ１０１および１０２、端末を１１０、端末のアンテナを１１１、電波を吸収する障害物を１２０で表わす。また、アンテナ１０１とアンテナ１１１の間の電波の経路を１５１、アンテナ１０２とアンテナ１１１の間の電波の経路を１５２で表わす。
【００１１】
基地局１００は、端末１１０が送信する上り電波をアンテナ１０１および１０２の両方で受信し、それぞれが受信した信号のＳＮ比を比較するように構成する。そして、次に基地局１００から同じ端末１１０へ下り電波を送信する時には、受信した信号のＳＮ比が高かった方のアンテナから送信するように構成する。
【００１２】
次に、この実施例の動作について説明する。電波の経路１５１と１５２を比較して減衰の小さい方が、たとえば経路１５２であると仮定する。すると、端末１１０が送信した上り電波は、アンテナ１０１で受信するよりアンテナ１０２で受信した方が大きな電力で受信できる。従って、アンテナ１０１で受信した信号のＳＮ比よりアンテナ１０２で受信した信号のＳＮ比の方が大きくなる。従って、次に基地局１００から端末１１０に向けて下り電波を送信する時はアンテナ１０２から送信することになる。
【００１３】
もともと電波の経路１５２の方が１５１より減衰が小さいので、上り通信の際と下り通信の際とにおいて各経路の通信状態が大きく変動しない限り、アンテナ１０１から下り電波を送信するよりアンテナ１０２から送信した方が、端末１１０で受信したときの電力が大きく効率の良い通信ができる。従って、効率良く通信できる側のアンテナ１０２が、上記の動作により選択されることになる。上記とは逆に電波の経路１５１の方が１５２より減衰が小さい場合には、効率良く通信できる側のアンテナ１０１が選択される。上記ではアンテナ１０１および１０２で受信した信号のＳＮ比の比較結果に基づいて下り電波を送信するアンテナを選択したが、ＳＮ比の他、受信電力などの通信効率・品質の判定に利用できる情報を用いて下り電波の送信アンテナを選択することも本発明の範疇である。
【００１４】
なお、基地局のアンテナ１０１または１０２のいずれが選択されても端末１１０の側の動作は同じであり、基地局のアンテナが２本有ることに起因する特別な機能を端末１１０の側に付加する必要は無い。
【００１５】
次に、この実施例に使用する基地局１００の構成について、その一実施例を図２に示す。図２において、送信部を２１１および２１２、受信部を２２１および２２２、送受信部とアンテナの接続を切り替える高周波スイッチを２３１および２３２、受信信号のＳＮ比を比較する判定部を２４０、判定した結果を記憶する記憶部を２５０、その他のデータ処理を行なうデータ処理部を２００で表わす。
【００１６】
アンテナ１０１および１０２で受信した電波をそれぞれ受信部２２１および２２２で復調し、その結果をデータ処理部２００に送って処理すると共に、受信した信号のＳＮ比を算出して判定部２４０に送る。判定部２４０では、いずれのアンテナが受信した信号のＳＮ比の方が高いかを判定し、その結果を記憶部２５０に記憶する。次に同じ端末に対して下り電波を送信する際には、記憶部２５０が記憶している内容に基づいて、送信部２１１および２１２を制御する。この制御は、受信した時のＳＮ比が高かった方のアンテナにつながる送信部のみが電波を送信するように行なう。これにより、同じ端末からの直前の上り信号を高いＳＮ比で受信した方のアンテナから下り信号を送信することになる。
【００１７】
本発明の他の実施例の１つを、図３を用いて説明する。ここで、電波の反射物を３２０で表わす。図３に示すように付近に電波の反射物３２０が存在する場合は、アンテナ１０１とアンテナ１１１の間の電波の経路やアンテナ１０２とアンテナ１１１の間の電波の経路はそれぞれ複数存在し得る。そこで、アンテナ１０１とアンテナ１１１の間の１５１以外の電波の経路を３５１、アンテナ１０２とアンテナ１１１の間の１５２以外の電波の経路を３５２で表わす。
【００１８】
基地局１００は、図１を用いて説明した実施例と同様に、端末１１０が送信する上り電波をアンテナ１０１および１０２の両方で受信し、それぞれが受信した信号のＳＮ比を比較するように構成する。そして、次に基地局１００から同じ端末１１０へ下り電波を送信する時には、受信した信号のＳＮ比が高かった方のアンテナから送信するように構成する。更にこの実施例では、基地局１００から端末１１０へ下り電波を送信する時の搬送波の周波数が、同じ端末１１０から受信した直前の上り電波の搬送波の周波数と一致するように構成する。
【００１９】
次に、この実施例の原理について説明する。端末のアンテナ１１１と基地局のアンテナ１０１の間には１５１や３５１など電波の経路が複数存在し、これらの経路を通って到達した電波が干渉によって互いに強め合う場合もあれば弱め合う場合もある。２つの経路を通って到達した電波の位相が互いに同相になる場合には強め合い、逆相になる場合には弱め合うことになる。経路１５１を経由した電波と経路３５１を経由した電波が互いに同相になるか逆相になるかは、反射物３２０が電波を反射する時に位相が反転するか否かと、それぞれの経路長を波長で割り算した結果の小数部分の差の絶対値が０．２５〜０．７５の範囲にあるか否かとによって決まる。反射物３２０が電波を反射する時に位相が反転しない場合は、それぞれの経路長を波長で割り算した結果の小数部分の差の絶対値が０または１に近ければ同相となり、０．５に近ければ逆相となる。反射物３２０が電波を反射する時に位相が反転する場合はこの逆になる。
【００２０】
電波の経路が３つ以上ある場合でも、各経路を通って到達した電波が全て合成された結果どの程度強まるか弱まるかは、それぞれの経路上にある反射物が電波を反射するときに位相が反転するか否かと、それぞれの経路における電波の減衰率と、それぞれの経路長を波長で割り算した結果の小数部分とによって決まる。
【００２１】
ここで、同じ周波数の電波がアンテナ１１１からアンテナ１０１へ伝わる場合とアンテナ１０１からアンテナ１１１へ伝わる場合を比較する。電波が経路３５１を通って反射物３２０で反射する時に位相が反転するか否かは、反射物３２０が特殊な物体でない限り、電波の入射方向がアンテナ１１１側からであってもアンテナ１０１側からであっても変わらない。電波の経路上に障害物があった場合の減衰率も、その障害物が特殊な物体でない限り、電波の入射方向がアンテナ１１１側からであってもアンテナ１０１側からであっても変わらない。また、それぞれの経路長を波長で割り算した結果も、電波の入射方向がアンテナ１１１側からであってもアンテナ１０１側からであっても変わらない。従って、電波の経路上に特殊な物体が存在しない限り、上りと下りの電波の周波数が同じであれば、複数の経路を通って到達した電波が合成されてどの程度強まるか弱まるかは上りと下りで変わらない。
【００２２】
すなわち、上りと下りの電波の周波数が同じであれば、上り電波をアンテナ１０１で受信した方がアンテナ１０２で受信するより効率よく通信できる時は、下り電波をアンテナ１０１から送信した方がアンテナ１０２から送信するより効率よく通信できる。逆に、上り電波をアンテナ１０２で受信した方がアンテナ１０１で受信するより効率よく通信できる時は、下り電波をアンテナ１０２から送信した方がアンテナ１０１から送信するより効率よく通信できる。従って、下り電波を送信するアンテナは、効率良く下り通信ができる側のアンテナが選択されることになる。
【００２３】
前述のように、この実施例では、基地局１００から端末１１０へ送信する下り電波の搬送波の周波数を同じ端末１１０から受信した直前の上り電波の搬送波の周波数と一致させることが前提である。常に同一の周波数の搬送波を使用する方式の通信では、この前提は無条件に成り立つ。あらかじめ定めた手順に従って定期的に搬送波の周波数を変化させるいわゆる周波数ホッピング方式を用いた通信でも、この前提が成り立つようにその周波数を変化させる手順を決めることができる。その場合の搬送波の周波数の一実施例を図４に示す。
【００２４】
基地局１００は、図４に示す時間帯の順序に従って、例えば３台の端末との間で通信を行なう。各時間帯の１つ１つの長さは約５ミリ秒以下とするが、全てを同一の長さにする必要は無い。時間帯１では、端末Ａからの上り電波を受信し、使用する搬送波の周波数は２４１２メガヘルツとする。次の時間帯２では、同じ端末Ａに対して同じ周波数の搬送波で下り電波を送信する。次の時間帯３では、使用する搬送波の周波数を変えて別の端末Ｂからの上り電波を受信する。次の時間帯４では、同じ端末Ｂに対して同じ周波数の搬送波で下り電波を送信する。以下、図４に示すように通信方向を交互に変えながら３台の端末Ａ〜Ｃとの通信を順次行なう。図４に示す搬送波の周波数を使えば、下り電波の搬送波の周波数は同じ端末からの直前の上り電波の搬送波の周波数と一致することになる。
ここで、各端末の移動速度を歩行速度すなわち時速約４キロメートル以下とする。１つ１つの時間帯が約５ミリ秒以下の長さであるから、１つの時間帯の間に端末が移動する距離は数ミリメートル以下であり、電波の波長の約５％以下である。また、上り電波の受信を開始した時から同じ周波数の搬送波での下り送信を終了するまでの時間は約１０ミリ秒以下であり、この間に端末が移動する距離は、たかだか波長の約１０％以下である。移動方向が端末付近の電波の経路と平行でない場合には、電波の経路長の変化はこれより小さくなる。従って、上り電波のＳＮ比を使って下り電波を送信するアンテナを選択すれば、効率よく送信できる側をほぼ正しく選択できることになる。
【００２５】
図４には上り電波を受信した直後に同じ端末に対して下り電波を送信する場合を示したが、これでは信号処理が間に合わないことも有り得る。その場合の通信順序の一実施例を図５に示す。この実施例では、端末Ａの上り電波を受信してから端末Ａに下り電波を送信するまでの間に、端末Ｃへの下り電波の送信と端末Ｂからの上り電波の受信を行なう。その間に、端末Ａへの下り電波を送信するために必要な信号処理を行なうことができる。端末ＢやＣについても同様に、上り電波を受信してから下り電波を送信するまでの間に、他の端末と通信する時間を設けてあり、この間に下り電波を送信するために必要な信号処理を行なうことができる。図５に示す実施例の場合でも、下り電波の搬送波の周波数は同じ端末からの直前の上り電波の搬送波の周波数に一致させることができる。この場合には、連続する４つの時間帯の長さの合計が約１０ミリ秒以下となるように、時間帯の長さを設定する。
【００２６】
図４または図５に示すように搬送波の周波数を切り替えながら上り通信と下り通信を交互に行なう場合に使用する基地局１００の構成について、その一実施例を図６に示す。図６において、搬送波の周波数を指定する制御信号を４５０で表わす。基地局１００をこのように構成すれば、データ処理部２００において搬送波の周波数を逐次算出して制御信号４５０を出力し、送信部２１１および２１２または受信部２２１および２２２が使用する搬送波の周波数を制御することができる。
【００２７】
次に、周波数ホッピング方式を用いた場合に、基地局が使用する搬送波の周波数と端末が使用する搬送波の周波数を一致させる方法について、その一実施例を説明する。
【００２８】
周波数ホッピング方式を用いた場合に使用する端末１１０の構成の一実施例を図７に示す。図７において、送信部を５１１、受信部を５２１、送受信部とアンテナの接続を切り替える高周波スイッチを５３１、その他のデータ処理を行なうデータ処理部を５００で表わす。また、搬送波の周波数を指定する制御信号を５５０で表わす。
【００２９】
基地局１００に他の新たな端末と接続する余裕がある場合、すなわち図４または図５に示す通信相手の端末Ａ〜Ｃの内の少なくとも１つが実際には存在しない場合には、その空いた時間帯の下りチャネルを使って、新たに接続する相手を呼びかける信号を送信する。その信号には、空いた時間帯の並び方と搬送波の周波数を示す情報を含む。また、空いた時間帯の上りチャネルでは、所定の搬送波周波数で応答してくる端末の電波を受信する。
【００３０】
一方、基地局との通信を開始する前の端末１１０は、搬送波の周波数をランダムに変化させながら、基地局から呼びかけてくる信号を常に待ち受ける。そして、基地局から呼びかける信号を受信した場合は、その信号に含まれる空きチャネルに関する情報を使ってその後の送受信のタイミングと搬送波の周波数を算出し、呼びかけた基地局との通信を開始する。これにより、図４または図５に示す搬送波の周波数を使って端末と基地局が通信することができる。
【００３１】
基地局１００を、送受信を同時に行なうことができるように構成する場合には、図８に示すような順序で通信することもできる。なおここでは、搬送波の周波数を２４０２メガヘルツ以上２４７８メガヘルツ以下でかつ２メガヘルツ間隔の３９波を使ってホッピングさせる場合を例にとって説明する。図８では、時間帯ｎ＋１における上り通信の搬送波の周波数は、時間帯ｎにおける上り通信の搬送波の周波数より４０メガヘルツ高いかまたは３８メガヘルツ低い周波数で、かつ、２４０２〜２４７８メガヘルツの範囲内になるように決めている。ここに設定した３８メガヘルツは、使用できる搬送波の周波数の上限（２４７８メガヘルツ）と下限（２４０２メガヘルツ）の差の半分である。また、４０メガヘルツはこれに搬送波周波数の間隔である２メガヘルツを加えた周波数である。また、時間帯ｎ＋１における下り通信の相手と搬送波の周波数は、時間帯ｎにおける上り通信の相手と搬送波の周波数に一致するように決めている。これにより、下り電波の搬送波の周波数は同じ端末からの直前の上り電波の搬送波の周波数に一致させることができる。また、上りと下りの混信を避けるためには同じ時間帯における上りと下りの搬送波の周波数をなるべく離した方が良いが、上記のように決めれば、使用できる搬送波の周波数の上限と下限の差の半分に相当する３８メガヘルツ以上離すことができる。
【００３２】
このように搬送波の周波数を切り替えながら上り通信と下り通信を同時に行なう場合に使用する基地局１００の構成について、その一実施例を図９に示す。図９において、アンテナ共用器を６３１および６３２で表わす。また、送信用の搬送波の周波数を指定する信号を６５０、受信用の搬送波の周波数を指定する信号を６６０で表わす。このように構成すれば、上り通信と下り通信を同時に行なうことが可能であり、それぞれの搬送波の周波数を別々に制御することが可能である。この場合にも、図７の構成の端末を使用し、同じように通信を開始することができる。
【００３３】
また、基地局のアンテナを３本以上設ける場合でも、上り電波を最も高いＳＮ比で受信したアンテナから下り電波を送信することにより、本発明の実施が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、基地局のアンテナが複数ある場合に、下り通信を最も効率よく行なえるアンテナが下り電波を送信するアンテナとして選択される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基地局と端末の配置の一実施例を示す配置図である。
【図２】本発明の基地局の一実施例を示す構成図である。
【図３】本発明の基地局と端末の配置の他の実施例を示す配置図である。
【図４】本発明の基地局と端末の通信状態の一実施例である。
【図５】本発明の基地局と端末の通信状態の他の実施例である。
【図６】本発明の基地局の他の実施例を示す構成図である。
【図７】本発明の端末の一実施例を示す構成図である。
【図８】本発明の基地局と端末の通信状態のさらに他の実施例である。
【図９】本発明の基地局のさらに他の実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
１００…基地局、１０１〜１０２…基地局のアンテナ、１１０…端末、１１１…端末のアンテナ、１２０…電波の障害物、１５１〜１５２…電波の経路、２００…データ処理部、２１１〜２１２…送信部、２２１〜２２２…受信部、２３１〜２３２…高周波スイッチ、２４０…判定部、２５０…記憶部、３２０…電波の反射物、５００…データ処理部、５１１…送信部、５２１…受信部、５３１…高周波スイッチ、６３１〜６３２…アンテナ共用器。
【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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