(57)【要約】【課題】環境変動に対応可能でかつ情報伝送効率を保持しつつ通信品質の改善を実現する無線通信システムを提供する。【解決手段】複数の異なる指向方向を有するビームを形成する無線基地局と、この無線基地局と通信を行う複数の端末局からなる無線通信システムにおいて、各端末局が、無線基地局の複数のビームから送信された下り回線の所望信号電力対干渉信号電力の比をそれぞれ推定する手段と、所望信号電力対干渉信号電力比から最適なビームを選択するビーム選択手段と、選択したビーム番号を端末局から無線基地局への上り回線を用いて報知する手段と、を備え、無線基地局が、端末局から報知された前記ビーム番号があれば該ビーム番号に対応するビームを用いて端末局に情報信号を送信する送信制御手段と、を備えた。【選択図】        図１
2004297750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の異なる指向方向を有するビームを形成する無線基地局と、この無線基地局と通信を行う複数の端末局からなる無線通信システムにおいて、
前記各端末局が、
前記無線基地局の複数のビームから送信された下り回線の所望信号電力対干渉信号電力の比をそれぞれ推定する手段と、
前記所望信号電力対干渉信号電力比から最適なビームを選択するビーム選択手段と、
前記選択したビーム番号を前記端末局から前記無線基地局への上り回線を用いて報知する手段と、
を備え、
前記無線基地局が、
前記端末局から報知された前記ビーム番号があれば該ビーム番号に対応するビームを用いて前記端末局に情報信号を送信する送信制御手段と、
を備えたことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記無線基地局が、複数のビームを形成するための複数のアンテナ素子により構成されるアレーアンテナと、前記無線基地局が設置される環境に応じてそのビーム形状を任意に設定するビーム形成手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記無線基地局の送信制御手段が、前記無線基地局より前記端末局に送信される情報信号に、無線基地局で形成する複数のビーム毎に異なる既知の信号を多重して付加し、前記端末局の所望信号電力対干渉信号電力比推定手段が、前記既知信号を検出し、所望信号電力対干渉信号電力比を推定することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記既知信号を共通チャネルの共通パイロットとして割り当て、各端末局との個別チャネルの送信信号に多重することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記既知信号として互いに直交するデータシンボルを用いることを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
【請求項６】
無線通信システムがＣＤＭＡ通信方式の通信を行い、前記無線基地局の送信制御手段が、前記既知信号を直交符号によりそれぞれ拡散処理し、各ビームのための拡散処理された既知信号を多重化したものを前記端末局に送信される情報信号に付加し、前記端末局の所望信号電力対干渉信号電力比推定手段が、前記拡散処理された既知信号を検出し、所望信号電力対干渉信号電力比を推定することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
【請求項７】
前記既知信号を互いに直交するビット列あるいはシンボル列とし、共通の拡散符号により拡散処理した後に、それらを共通チャネルの共通パイロットとして各端末局との個別チャネルの送信信号に多重することを特徴とする請求項６に記載の無線通信システム。
【請求項８】
前記端末局の所望信号電力対干渉信号電力比推定手段が、ＲＡＫＥ合成後の前記既知信号を検出して所望信号電力対干渉信号電力比を推定することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
【請求項９】
前記端末局の所望信号電力対干渉信号電力比推定手段が、前記端末局で受信される所望信号群の中で最も受信電力の大きいパスに含まれる前記既知信号を検出して所望信号電力対干渉信号電力比を推定することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
【請求項１０】
前記端末局のビーム選択手段が、前記所望信号電力対干渉信号電力比が設定した閾値より大きいビームをすべて選択し、前記無線基地局の送信制御手段がこれらのビームを用いて情報信号を送信することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項１１】
前記端末局の所望信号電力対干渉信号電力比推定手段、ビーム選択手段、報知手段、および前記無線基地局の送信制御手段において、通信開始の初期状態において、全ビームを用いて前記ビーム番号を決定した後は、前記ビーム番号に対応するビームおよびそれに隣接するビームを用いて、下り回線の前記所望信号電力対干渉信号電力比を推定し、逐次選択するビームを更新することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項１２】
前記端末局の所望信号電力対干渉信号電力比推定手段、ビーム選択手段、報知手段、および前記無線基地局の送信制御手段において、通信開始の初期状態において、前記端末局では全ビームを用いて下り回線の前記所望信号電力対干渉信号電力比を推定し、受信状態の良い角度範囲の情報を前記無線基地局への上り回線を用いて報知し、その後、前記無線基地局においては選択された範囲に形成された複数のビームを用いて、下り回線の前記所望信号電力対干渉信号電力比を推定し、逐次選択するビームを更新することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項１３】
定期的に全ビームを用いて下り回線の前記所望信号電力対干渉信号電力比を推定し、受信状態の良い角度範囲の情報を更新することを特徴とする請求項１２に記載の無線通信システム。
【請求項１４】
前記端末局より報知された角度範囲に基づき、許容された自由度を最大限利用して、その範囲内に複数のビームを再形成することを特徴とする請求項１２に記載の無線通信システム。
【請求項１５】
前記複数の異なる指向方向を有するビームを形成するアレーアンテナを、伝搬路の相関特性が十分に無視できる程度の距離に複数個配置し、それぞれで送信に用いるビームを選択し、送信することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信等に利用する無線基地局と端末局の間の無線通信に係り、特に伝搬路特性の変動に追従しつつ、干渉を低減し、良好な情報伝送効率を達成することができる無線通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話を中心とする無線通信システムは、その利便性が認められ、めざましい勢いで普及している。一方で利用者の増加に伴い、使用周波数の逼迫や通信品質の劣化などの問題が生じてきている。特に周囲の構造物での反射、散乱によるマルチパスフェージングの発生は無線通信特有の問題であり、通信品質劣化の大きな要因である。従来、この対策として、無線基地局においては、異なる指向性を有する複数の指向性アンテナを配置するセクタ構成とすることで、最も受信状態のよいアンテナを逐次選択するなどの方法が取られてきた。
【０００３】
また従来の上り回線と下り回線で周波数が異なるＦＤＤ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ）方式の無線通信システムにおいては、下り回線の伝搬路特性の情報を端末局にて測定し、無線基地局において送信ビームを制御する際に必要となる情報を抽出し、上り回線の送信信号に当該情報を挿入することで、無線基地局に報知するフィードバック型の制御方式がある。
【０００４】
たとえば、従来のアンテナ選択型の制御方式においては、下り回線の情報シンボル列に各ビーム（Ｎ本のビームを想定）のパイロットシンボルを各スロットに挿入し送信する。そしてこの各ビームから送信されたＮ個のパイロットシンボル列を端末局側で検知して、それぞれの受信電力を測定し、最も受信電力の大きいビーム番号を上り回線にて報知することで、次スロットにおいて、無線基地局はその選択ビームを用いて情報シンボルを送信する（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２５２６１４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のアンテナ選択型の制御方式ではビーム数が増えるほどに、スロット全体での情報シンボルに対するパイロットシンボルの比率が高まり、その結果、下り回線における情報伝送効率が劣化する問題等があった。
【０００７】
本発明の目的は以上の問題を解決し、環境変動にロバストすなわち対応可能でありながら、情報伝送効率を保持しつつ、通信品質の改善を実現する、無線通信システムを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、本発明は、複数の異なる指向方向を有するビームを形成する無線基地局と、この無線基地局と通信を行う複数の端末局からなる無線通信システムにおいて、前記各端末局が、前記無線基地局の複数のビームから送信された下り回線の所望信号電力対干渉信号電力の比をそれぞれ推定する手段と、前記所望信号電力対干渉信号電力比から最適なビームを選択するビーム選択手段と、前記選択したビーム番号を前記端末局から前記無線基地局への上り回線を用いて報知する手段と、を備え、前記無線基地局が、前記端末局から報知された前記ビーム番号があれば該ビーム番号に対応するビームを用いて前記端末局に情報信号を送信する送信制御手段と、を備えたことを特徴とする無線通信システムにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まずこの種の無線通信システムについてもう少し説明すると、上述のように、近年、ＰＤＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｅｌｌｕｌａｒ）やＰＨＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｈａｎｄｙ−ｐｈｏｎｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）等の携帯電話を中心とする無線通信システムは、その利便性が認められ、めざましい勢いで普及している。一方で利用者の増加に伴い、使用周波数の逼迫や通信品質の劣化などの問題が生じてきている。特に周囲の構造物での反射、散乱によるマルチパスフェージングの発生は無線通信特有の問題であり、通信品質劣化の大きな要因である。この対策として、無線基地局においては、異なる指向性を有する複数の指向性アンテナを配置するセクタ構成とすることで、最も受信状態のよいアンテナを逐次選択するなどの方法が取られてきた。
【００１０】
また、さらなる高機能化をはかる手法として、サービスエリア内に偏在する複数の端末局の位置や、その端末局から送信される信号の到来方向に応じて、互いに空間的に直交する複数のビームを形成し、各端末局からの信号の受信のために割り当てることが挙げられる。
【００１１】
具体的には、通信を希望する端末局と異なる、任意の方向に存在する干渉となる端末局（干渉局）からの信号を積極的に除去するアダプティブアレーアンテナがある。アダプティブアレーアンテナは、複数のアンテナ素子を利用してそれらの受信信号の振幅、位相を調整し、合成することで出力において干渉信号を抑圧する信号処理システムである。すなわち、通信品質に影響を及ぼすような干渉信号が存在する環境において、所望とする信号の到来方向にビームを向け、干渉信号の到来方向に対しては指向性のヌルを形成するように動作する。受信信号の振幅と位相を調整することは、各アンテナ素子からの出力信号を複素重み付けすることに等価である。
【００１２】
下り回線（基地局送信、端末局受信）についてはＴＤＤ（Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ）方式（送信と受信で時間分割することで同一周波数を利用する方式）の場合には、送受の伝搬路特性が短区間変動において同一と見なせるため、セクタ構成の場合には上り回線（基地局受信、端末局送信）において選択したアンテナを下り回線にも利用することで、また、アダプティブアレーアンテナを用いる場合には、干渉局方向に指向性のヌルを向けることで、準最適な制御ができる。
【００１３】
一方、上り回線と下り回線で周波数が異なるＦＤＤ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ）方式の場合、送受の伝搬路特性が異なり、上り回線の受信信号から下り回線の送信方法を決定する上記の方式では良好な特性が得られない場合がある。
【００１４】
そこで、下り回線の伝搬路特性の情報を端末局にて測定し、無線基地局において送信ビームを制御する際に必要となる情報を抽出する。そして、上り回線の送信信号に当該情報を挿入することで、無線基地局に報知するフィードバック型の制御方式がある。この場合、送受の周波数の差異に関わらず、常に端末局の受信状態が良好であるよう、無線基地局側で送信に用いるビームを制御することが可能となり、通信品質の向上が期待できる。
【００１５】
たとえば、既存のアンテナ選択型の制御方式においては、上述のように下り回線の情報シンボル列に各ビーム（図ではＮ本のビームを想定）のパイロットシンボルを各スロットに挿入し送信する。この各ビームから送信されたＮ個のパイロットシンボル列を端末局側で検知して、それぞれの受信電力を測定し、最も受信電力の大きいビーム番号を上り回線にて報知することで、次スロットにおいて、無線基地局はその選択ビームを用いて情報シンボルを送信する。
【００１６】
またアダプティブアレーアンテナを適用した場合には、上り回線において報知する情報としては、無線基地局のアンテナ素子毎の伝搬路伝達係数や、端末局にて送信用のウエイトを推定する場合には、各アンテナ素子に対する重み係数となる。
【００１７】
このようにして、端末局において伝搬路特性に関わるパラメータを推定し、上り回線を利用して無線基地局に報知することで、上りと下りの周波数が異なるシステムにおいても、伝搬路特性の変動に追従したビーム制御が可能となる。
【００１８】
しかしながら、ビーム選択型の制御方式では、ビーム数が増えるほどに、スロット全体での情報シンボルに対するパイロットシンボルの比率が高まり、その結果、下り回線における情報伝送効率が劣化する問題があった。
【００１９】
一方で、アダプティブアレーアンテナを用いた場合、端末局から報知する伝搬路伝達係数あるいは重み係数は振幅および位相情報からなる複素数であり、さらにアンテナ素子数分の各係数を上り回線においてフィードバックする必要があるため、その情報量は多くなる。たとえば、重み係数１つ当りのビット数がｋ、ビーム数がｎの場合、フィードバックする情報量は、ｋ＊ｎビットにもなる。この制御信号をたとえば１スロット毎に上り回線の情報シンボルに挿入する必要があり、上り回線の情報シンボルに対して挿入する制御シンボルの比率が高まるため、上り回線の情報伝送効率が著しく低下する可能性がある。
【００２０】
また、干渉局方向に対してヌルを形成する技術は理想的動作においては、極めて有効な方法であるが、現実の運用を考慮したとき、端末局内での処理遅延やフィードバックによる制御遅延などの影響が大きく、処理の複雑さに対して干渉抑圧効果が十分に得られない可能性がある。
【００２１】
そこで本発明は、環境変動に対応可能でありながら、情報伝送効率を保持しつつ、通信品質の改善を実現する、無線通信システムを提供する。
【００２２】
実施の形態１．
本発明の実施の形態に係る無線通信システム及び無線基地局及び端末局について図を用いて説明する。図１及び図２は本発明の一実施の形態による無線通信システムのそれぞれ無線基地局、端末局、の構成の一例を示すブロック図であり、図３は本発明の無線基地局における送信スロットの信号フォーマットの一例を示す図である。
【００２３】
図１の無線基地局は、異なる方向に指向性を有する複数のアンテナ素子（＃１〜＃Ｎ）１０１〜１０３と、デュプレクサ１０４〜１０６と、送信機（Ｔｘ）１０７〜１０９と、受信機（Ｒｘ）１１０〜１１２と、受信ビーム制御回路１１３と、復調器１１４と、ビーム番号検出器１１５と、変調器１１６と、パイロットシンボル発生器１１７と、ビーム切替回路１１８から構成される。
【００２４】
図２の端末局は、アンテナ素子１４１と、デュプレクサ１４２と、受信機（Ｒｘ）１４３と、送信機（Ｔｘ）１４４と、各ビームＳＩＲ推定部１４５と、ビーム選択回路１４６と変調器１４７から構成される。
【００２５】
本発明の実施の形態に係る無線通信システムの動作を説明する。図２に示す端末局では、アンテナ１４１で受信した信号はデュプレクサ１４２を介して受信機（Ｒｘ）１４３に入力される。受信機１４３は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の受信信号をベースバンドのディジタル信号に変換する。各ビームＳＩＲ推定部１４５では、後で説明する図３のように各スロットの先頭に多重化されて挿入されている各ビームのパイロットシンボル（既知信号）を検出し、それぞれの所望信号電力対干渉信号電力比（ＳＩＲ：Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｒａｔｉｏ）を推定する。
【００２６】
各ビームＳＩＲ推定部１４５の具体的な構成の一例としては、図４に示すような構成が挙げられ、パイロットシンボル発生器１５１、相関器（１〜Ｎ）１５２〜１５４、タイミング検出器（１〜Ｎ）１５５〜１５７、ＳＩＲ演算器（１〜Ｎ）１５８〜１６０から成る。
【００２７】
パイロットシンボル発生器１５１では、無線基地局において送信スロットに挿入したものと同じ各ビームのパイロットシンボルを発生する。相関器１５２〜１５４において、これらパイロットシンボルと受信機１４３からの出力信号との相関演算を施し、所望信号成分を抽出する。その後、タイミング検出器１５５〜１５７において、受信信号に含まれるパイロットシンボルとのタイミングが最も一致するサンプル、すなわち最もＳＩＲが改善されているサンプルのタイミングを検出した後に、検出したタイミングのサンプルを用いて、ＳＩＲ演算器１５８〜１６０において各ビームのＳＩＲを導出する。これら各ビームのＳＩＲ値は後段のビーム選択回路１４６に入力される。
【００２８】
なお、ＳＩＲ演算器１５８〜１６０における演算においては、複数のサンプルを用いた平均化処理を施すことで、精度の良い値を推定することが可能である。
【００２９】
ビーム選択回路１４６においては、最もＳＩＲが高いビームを選択する。これを上り回線において無線基地局に報知するのであるが、その手順は、送信する情報シンボルに選択したビーム番号の情報を挿入し、変調器１４７にて変調処理を施した後、送信機（Ｔｘ）１４４にてＲＦ帯の帯域信号に変換され、デュプレクサ１４２を介して、アンテナ１４１から放射される。
【００３０】
このように、端末局からフィードバックする情報はビーム番号のみでよいため、上り回線の伝送効率にほとんど影響を与えない。たとえば、８つのビームを使用する際には、制御情報としては３ビットあればよい。また、ビーム番号を報知する形式であるので無線基地局においてどのような形状のビームを使用しても端末局においてはそれらを考慮する必要はなく、システムの拡張性に優れている。なお、無線基地局から送信される音声などの各種情報データを含む信号成分については、復調器などにより検出されるのであるが、図２の構成例においては説明を簡単にしてこの発明の特徴をより分かり易くするために当該部分を省略している。
【００３１】
一方、図１の無線基地局では、端末局から送信された変調信号をそれぞれ異なる方向の指向性を有するＮ個のアンテナ素子１０１〜１０３で受信し、それをデュプレクサ１０４〜１０６を介して、受信機（Ｒｘ）１１０〜１１２において検波し、ＲＦ帯の信号をベースバンドのディジタル信号に変換する。
【００３２】
アンテナ素子群１０１〜１０３はそれぞれが異なる指向性を有するものであり、無線基地局の通信範囲に応じて設定されるものである。たとえば、全周３６０度を８本のアンテナ素子でカバーする場合には、各アンテナ素子のビーム幅は４５度程度として、均等に配置すればよい。
【００３３】
受信ビーム制御回路１１３では、各アンテナ素子の受信信号の振幅、位相を調整して合成し、出力信号を得る。このとき、受信ビーム制御回路１１３の制御手段では既存の各種アルゴリズムが利用され、例えば選択合成や最大比合成などのダイバーシチ合成手法や干渉信号に対してヌルを形成するアダプティブアレーアンテナの各種制御アルゴリズムが挙げられる。
【００３４】
アレー合成後の出力信号は復調器１１４により復調され、ビーム番号検出器１１５において、受信データに含まれる選択ビーム番号の情報を検出する。なお、説明を簡単にしてこの発明の特徴をより分かり易くするため図１においては、復調器１１４から得られる受信データから情報シンボルを判定する処理については省略してある。
【００３５】
送信の動作について説明する。パイロットシンボル発生器１１７において指定された長さのパイロットシンボルを、形成するビームの数だけ発生させ、変調器１１６にて変調処理を施した情報シンボルとビーム番号検出器１１５にて検出されたビーム番号情報と共に、ビーム切替回路１１８に入力する。
【００３６】
ビーム切替回路１１８では、図３に示されるようなフォーマットの送信スロットを作成する。すなわち、ビーム番号検出器１１５にて検出されたビーム番号に対応するビーム（図３はＢｅａｍ２が選択された場合の例）のパイロットシンボルの後方に情報シンボルを付加する。他のビームについては、何も付加しないか全てゼロ値のようなヌルシンボルを挿入する。これら各ビームの送信スロット（ここではＮ個）を同時に送信する多重化を行うことで、スロット内におけるパイロットシンボルの比率を低減し、伝送効率の低下を防止することができる。
【００３７】
本発明の実施の形態においては、各ビームのパイロットシンボルを同一時間に多重化して送信する構成であるので、端末局におけるＳＩＲ推定の精度を考慮すると、各パイロットシンボルの相関特性はできるだけ小さいことが望ましく、各パイロットシンボルを直交するように設定する。
【００３８】
たとえば、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ：符号分割多元接続）通信方式においては、拡散符号によりユーザの識別を行うことで同一時間での通信を可能にするのであるが、これを拡張して、各ビームのパイロットシンボルにそれぞれ直交する拡散符号を割り当てて拡散処理を施すことで、本発明をＣＤＭＡ方式に適用可能となり、効率の良い伝送方式が実現できる。
【００３９】
なお勿論、パイロットシンボル間に直交関係を与えておけば、拡散符号をビーム間で同一のものとすることも可能であり、この場合は符号の有効利用が可能となる。
【００４０】
その後、送信機（Ｔｘ）１０７〜１０９によって、ＲＦ帯の帯域信号に変換され、デュプレクサ１０４〜１０６を介してアンテナ素子１０１〜１０３により放射される。
【００４１】
このように、無線基地局において複数のビームを形成し、おのおのから互いに直交する信号を多重化して送信し、端末局において最も受信状態の良いビームを選択して報知することで、上り回線と下り回線で利用する周波数が異なる無線通信システムにおいても、情報伝送効率を保持し、伝搬路特性の変動に追従することが可能となる。
【００４２】
また、図５に示すように無線基地局ではアンテナ素子１０１〜１０３からなるアレーアンテナ１０ａ、１０ｂ・・・を複数個設置し、それぞれを伝搬路特性が互いに無相関になる程度の間隔として、それぞれのアレーアンテナにおいて上記の制御を施すことで、ダイバーシチ効果を得ることも可能である。そしてこれらの複数の異なる指向方向を有するビームを形成するアレーアンテナ１０ａ、１０ｂ・・・それぞれで送信に用いるビームを選択し、送信するようにしてもよいし、あるいは全体（全ビームの中）で１つの最適なビーム（ＳＩＲが最も高い）を選択し、送信するようにしてもよい。なお、図１の１０４〜１１８からなる制御部分は、各アレーアンテナに個々に設けても、あるいは共通に１組設けて切り換えて接続するようにしてもよい。
【００４３】
実施の形態２．
次に、本発明の他の実施の形態による無線基地局について説明する。図６は本発明の他の実施の形態による無線基地局の構成を示すブロック図である。図６の無線基地局は各ビームをディジタル信号処理にて形成するもので、無指向性を有する複数のアンテナ素子（＃１〜＃Ｎ）１２１〜１２３と、デュプレクサ１２４〜１２６と、送信機（Ｔｘ）１２７〜１２９と、受信機（Ｒｘ）１３０〜１３２と、受信ビーム制御回路１３３と、復調器１３４と、ビーム番号検出器１３５と、変調器１３６と、パイロットシンボル発生器１３７と、ビーム切替回路１３８と、ディジタル信号処理にて複数のビームを形成するビーム形成回路１３９から成る。
【００４４】
具体的動作について説明すると、アンテナ素子（＃１〜＃Ｎ）１２１〜１２３とビーム形成回路１３９以外はそれぞれ図１に示された対応する部分と基本的には同じであるので説明を省略する。
【００４５】
任意のＮ個から成るアンテナ素子１２１〜１２３はそれぞれ特定の方向に指向性を有さない、いわゆる無指向性のアンテナ素子から構成される。
【００４６】
その後の動作は、図１の無線基地局と同様の処理がなされるが、ビーム切替回路１３８にて各ビームの送信スロットを作成した後、ビーム形成回路１３９にてディジタル信号処理によって複数の指向方向を有するビームが形成され、アンテナ素子１２１〜１２３にて送信される。
【００４７】
図７にビーム形成回路１３９の具体的な構成の一例を示す。図７においてビーム形成回路は、分配器（１〜Ｌ）１７１〜１７３、重み係数を与える重み係数付加器１７４および合成器（１〜Ｎ）１７５〜１７７からなる。図７は形成するビーム数がＬ個の例を示しているが、ビーム数Ｌはアンテナ素子数Ｎと同じである必要はない。図６のビーム切替回路１３８にて発生した各ビームの送信スロットは、分配器１７１〜１７３によって、Ｎ分配される。
【００４８】
分配された各スロットは、複素数の重み係数ｗｉｊ（ｉ＝１，．．．，Ｎ；  ｊ＝１，．．．，Ｌ）１７４により振幅、位相成分を調整された後、合成器（１〜Ｎ）１７５〜１７７により合成され、多重化される。
【００４９】
すなわち、ｗ１ｊ〜ｗＮｊはビームｊに対するアレーアンテナの重み係数に対応し、このような重み係数をＬ組用意することにより、ディジタル段でのビーム形成を行う。
【００５０】
また、これらの処理は図７のようなハードウェアによる実現だけでなく、ソフトウェアによっても実現可能である。従って、ＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）やＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）による直交マルチビームを使用することも容易となる。
【００５１】
このようにディジタル信号処理によって、各ビームを形成すなわちビーム形状の設定を行うことで、無線基地局の設置環境に応じて、また環境変動に応じて、自由にビームの再形成が可能となる。
【００５２】
実施の形態３．
次に、本発明の別の実施の形態による無線基地局について説明する。図８はこの実施の形態による無線基地局の構成ブロック図であり、図９はこの実施の形態による無線基地局における送信スロットの信号フォーマットの一例を示す図である。
【００５３】
なお、図８において受信部は実施の形態１あるいは２と同様であるので省略する。この実施の形態による第３の無線基地局は各ビームを識別するための既知信号を共通チャネルの共通パイロットとして送信するものであり、複数のアンテナ素子３０１〜３０３と、デュプレクサ３０４〜３０６と、送信機（Ｔｘ）３０７〜３０９と、複数のビームを形成するビーム形成回路３１０と、パイロットシンボル発生器３１１と、ビーム切替回路３１２と、変調器３１３から成る。なお、図８においては、Ｍ個の端末局を収容する構成を示しており、それぞれの端末局との個別チャネルに対応するビーム切替回路および変調器が備えられている。
【００５４】
上記の実施の形態においては、ビームを識別するための既知信号、すなわちパイロットシンボルを端末局に送信する情報シンボルの先頭、すなわち各端末局との個別チャネルに付加する構成としていたが、本実施の形態においては、これらパイロットシンボルを共通チャネルの共通パイロットを用いて１つの基地局で共通に利用する構成とすることで更なる効率化を図るものである。
【００５５】
具体的には、図８に示すように各端末の個別チャネルにおいて、送信する情報を変調器３１３で変調した信号を、上り回線の受信信号から検出した選択ビーム番号と共にビーム切替回路３１２に入力し、情報シンボルの送信に用いるビームを逐次切り替える。この処理を端末毎に対応したチャネルでそれぞれ行い、それら全端末分の送信信号を多重した後、パイロットシンボル発生器３１１で発生したパイロットシンボル（既知信号）が共通チャネルの共通パイロットとして、さらに多重される。その後の処理は上記の実施の形態と同様である。
【００５６】
このように共通チャネルの共通パイロットを利用することで、図９のような送信スロット構成となり、下り回線における端末局の個別チャネルのスループットに与える影響をさらに低減することが可能となる。共通チャネルにおける共通パイロットについては、３ＧＰＰ（３ｒｄ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ  Ｐｒｏｊｅｃｔ）においても、ＣＰＩＣＨ（Ｃｏｍｍｏｎ  Ｐｉｌｏｔ  Ｃｈａｎｎｅｌ）として標準化されており、特にＳｅｃｏｎｄａｒｙ  ＣＰＩＣＨは複数のチャネルを併用できる仕様となっているので、複数のビームにＣＰＩＣＨを割り当てることが可能である。従ってＣＤＭＡ通信方式においても本実施の形態を適用することが容易である。
【００５７】
なお、図９では個別チャネルの情報シンボルに対してパイロットシンボルが少ない場合の構成を示しているが、よりパイロットシンボルを多くしてビーム選択の精度を改善することも、勿論可能である。特に、ＣＤＭＡ通信方式では共通パイロットチャネルの拡散率を上げることで同様の効果が期待できる。
【００５８】
実施の形態４．
ＣＤＭＡ通信方式における本発明による端末局の各ビームＳＩＲ推定部（図２の１４５参照）の構成の一例を図１０に示す。図１０の各ビームＳＩＲ推定部１４５ａは、拡散符号発生器１８１と、ＭＦ（Ｍａｔｃｈｅｄ  Ｆｉｌｔｅｒ：整合フィルタ）（１〜Ｎ）１８２〜１８４と、各パスタイミング検出器（１〜Ｎ）１８５〜１８７と、ＲＡＫＥ（１〜Ｎ）合成器１８８〜１９０と、ＳＩＲ演算器（１〜Ｎ）１９１〜１９３から成る。
【００５９】
拡散符号発生器１８１と、ＭＦ（Ｍａｔｃｈｅｄ  Ｆｉｌｔｅｒ：整合フィルタ）１８２〜１８４と、各パスタイミング検出器１８５〜１８７と、ＳＩＲ演算器１９１〜１９３は、図４に示すパイロットシンボル発生器１５１、相関器１５２〜１５４、タイミング検出器１５５〜１５７、ＳＩＲ演算部１５８〜１６０と類似した動作を実行する。
【００６０】
ＣＤＭＡ通信方式においては、情報シンボルに比べて高速なデータレートの拡散符号で広帯域の信号に拡散して伝送する。受信機側では、送信側で用いた拡散符号と同じ拡散符号を用いて相関検出を行う（逆拡散処理という）ことにより元の情報シンボルを再生する。このとき、各ユーザに割り当てる拡散符号の相互相関特性が小さいほど、逆拡散処理における干渉抑圧効果が大きい。
【００６１】
本発明の実施の形態に係る無線通信システムでは、この特性を端末局におけるビーム選択処理に利用する。以下に具体的に説明する。
【００６２】
実施の形態１でも述べたように、各ビーム毎に直交する拡散符号を使用してパイロットシンボルを拡散した送信スロットを端末局で受信したとき、図１０に示す拡散符号発生器１８１は無線基地局において使用したものと同じ拡散符号を生成し、ＭＦ１８２〜１８４に入力する。ＭＦ１８２〜１８４において、受信信号と拡散符号との相関検出処理（逆拡散処理）を施した後、各パスタイミング検出器１８５〜１８７において、様々な伝搬路を通って到来した所望信号の各パスの遅延タイミングを検出する。ＲＡＫＥ合成器１８８〜１９０においては、各パスタイミングに基づき、各パス成分を最大比合成するＲＡＫＥ合成を施し、その合成出力を使用してＳＩＲ演算器１９１〜１９３において、各ビームのＳＩＲ値を推定する。
【００６３】
このようにビーム毎に直交する拡散符号を割り当てることで、相関検出時に高い干渉抑圧効果が得られ、さらにＲＡＫＥ合成後の信号を用いて各ビームのＳＩＲを推定することで、より正確で最も効率のよいビームの選択が可能となる。
【００６４】
実施の形態５．
ＣＤＭＡ通信方式における本発明の別の実施の形態における端末局の各ビームＳＩＲ推定部の構成の一例を図１１に示す。図１１の各ビームＳＩＲ推定部１４５ｂは、拡散符号発生器２０１と、ＭＦ（Ｍａｔｃｈｅｄ  Ｆｉｌｔｅｒ：整合フィルタ）（１〜Ｎ）２０２〜２０４と、最大パスタイミング検出器（１〜Ｎ）２０５〜２０７と、ＳＩＲ演算器（１〜Ｎ）２０８〜２１０から成る。
【００６５】
拡散符号発生器２０１と、ＭＦ２０２〜２０４と、ＳＩＲ演算器２０８〜２１０は、実施の形態４における拡散符号発生器１８１と、ＭＦ１８２〜１８４と、ＳＩＲ演算部１９１〜１９３と同じ動作であるので説明を省略する。
【００６６】
最大パスタイミング検出器２０５〜２０７において、様々な伝搬路を通って到来した所望信号の各パスの中で、最も受信レベルが高いパスのタイミングを検出する。その後、検出した最大パスのサンプルタイミングに基づき、ＳＩＲ演算器２０８〜２１０において、各ビームのＳＩＲ値を推定する。
【００６７】
このように最大受信レベルのパスのみを検出する構成とすることで、タイミング検出器を簡易化でき、ＲＡＫＥ合成器を削減できるため、端末局の装置構成を簡略化できる。
【００６８】
実施の形態６．
ＣＤＭＡ通信方式における本発明の別の実施の形態における端末局の各ビームＳＩＲ推定部の構成例を図１２に示す。拡散符号発生器３３１と、ＭＦ（Ｍａｔｃｈｅｄ  Ｆｉｌｔｅｒ：整合フィルタ）３３２〜３３４と、各パスタイミング検出器３３５〜３３７と、ＲＡＫＥ合成器３３８〜３４０と、ＳＩＲ演算器３４１〜３４３から成る。拡散符号発生器３３１以外は実施の形態４と同様の動作であるので説明を省略する。なお、実施の形態５で述べた図１１のような最大受信レベルのパスのみを利用する構成も勿論可能である。
【００６９】
実施の形態４および５では、各ビームに対して直交する拡散符号を割り当てるため、優れた分離特性が得られる。しかし、直交符号の数には限りがあり、より多くの端末を収容するためには、各端末のビーム毎に符号を割り当てることは効率的ではない。そこで、本実施の形態においては、図１２に示すように拡散符号発生器３３１では唯一つの拡散符号を発生させ、これをビーム間で共通利用する。勿論、この場合は実施の形態１で述べたように、無線基地局側においても、同一の拡散符号によって各ビームのパイロットシンボル（既知信号）を拡散処理することが必要である。
【００７０】
従って、本実施の形態における各ビームのＲＡＫＥ合成やＳＩＲ推定については、ビーム間で直交関係にあるパイロットシンボルのみを用いて行うことになる。
【００７１】
また、この構成は実施の形態３で示した共通チャネルの共通パイロットを利用した無線基地局にも対応した端末局を実現でき、１基地局に対してビーム識別用の複数の共通パイロットチャネルに１つの拡散符号を用意すればよく、直交符号の有効利用が可能となる。
【００７２】
実施の形態７．
上記の実施の形態においては、端末局にてＳＩＲが最も良いビームを選択するようにしていたが、伝搬路特性によっては、離れた角度からマルチパスが到来するなどして、ＳＩＲの高いビームが複数存在する可能性がある。このような場合のビーム選択法について説明する。
【００７３】
端末局においては、予め閾値として目標ＳＩＲを設定する。無線基地局からの送信スロット内のパイロットシンボルを用いて各ビームのＳＩＲを推定し、先の目標ＳＩＲよりも大きな値を有するビームを複数選択する。これら選択した各ビーム番号を上り回線によって無線基地局に報知し、無線基地局においてはそれら複数のビームを利用して情報シンボルを送信する。
【００７４】
図１３は本実施の形態における無線基地局における送信スロット構成を示す。これらＮ個の各ビームの送信スロットを同時に送信する多重化を行う。図１３はＮ個のビームの中で、Ｊ個のビームが端末局にて選択された場合の例であるが、選択されたビームの送信スロットそれぞれに情報シンボルを付加し、多重化することで、伝搬路特性の良い状態のビームを効率よく利用することが可能となる。
【００７５】
また、実施の形態３のように共通パイロットチャネルを利用した無線基地局構成においても、複数ビームを利用しての送信は勿論可能である。
【００７６】
実施の形態８．
本実施の形態に係る無線基地局における送信ビームの形成法について説明する。図１４は水平面内に等間隔でビームを形成した場合の例を示す。選択されたビーム２２１は端末局にて選択されたビームであり、無線基地局において次スロットにて情報シンボルを送信するのに使用する。隣接ビーム２２２、２２３はそれに隣接したビームである。
【００７７】
端末局から何らかの制御情報を無線基地局にフィードバックするシステムにおいては、その情報量によって、上り回線の情報伝送効率が影響を受ける。そのため、なるべく少ない制御情報であることが望ましい。本実施の形態はそれを実現する方法を示す。
【００７８】
具体的動作について説明する。通信の初期状態で、全ビームを用いてパイロットシンボルを送信し、端末局で選択されたビーム番号情報が、上り回線により無線基地局に報知されたとする。先の実施の形態で説明したように無線基地局では、選択されたビーム番号を検出し、送信スロットを作成する。このとき、全ビームを用いて送信スロットを作成するのはなく、選択されたビーム２２１および、それに隣り合う隣接ビーム２２２、２２３のみを用いてスロットを作成する。そして逐次選択するビームを更新する。
こうすることで、無線基地局における処理量を低減できるほか、端末局でのビーム選択処理および上り回線に挿入する制御情報シンボル数も削減が可能となる。
【００７９】
なお、図１４は水平面内の例であるが、垂直面内にもビームを形成する場合は選択ビーム２２１の周囲の隣接ビームを利用するなどして、各無線基地局のビーム構成に対応できる。
【００８０】
また、定期的に全ビームを使用して選択ビームを決定することで、より精度良く伝搬路特性の変化に追従することが可能となる。
【００８１】
実施の形態９．
本実施の形態に係る無線基地局における別の送信ビームの形成法について説明する。図１５は水平面内に等間隔でビームを形成した場合の例を示す。選択ビーム群２２５は初期状態で端末局にて選択されたビームの組である。
【００８２】
通信の初期状態において、無線基地局では実施の形態１で説明したように全ビームのパイロットシンボルを送信する。端末局では各ビームのＳＩＲを推定し、ＳＩＲの良好な角度範囲から選択ビーム群２５５を指定する。このとき、選択ビーム群２５５に含まれるビーム数は予め指定するものとする。
【００８３】
ビーム群の範囲設定については、１ビームずつスライドさせる方法や連続的に設定する方法などが挙げられる。
【００８４】
上り回線によりこの選択ビーム群の情報を報知された無線基地局では選択ビーム群２２５内のビームを使用してパイロットシンボルを送信し、順次ビーム選択処理を更新していく。
【００８５】
また、定期的に上記のような使用するビーム群の再設定を行うことで、伝搬路特性の変化に追従することが可能となる。
【００８６】
実施の形態１０．
本実施の形態に係る無線基地局における別の送信ビームの形成法について説明する。図１６は水平面内に等間隔でビームを形成した場合の例を示す。図１６においてａは初期状態、ｂは通信開始時のビーム群を示す。選択ビーム群２３０は初期状態で端末局にて選択されたビームの組である。選択ビーム群２３０の設定法は実施の形態９にて説明したのと同様である。
【００８７】
無線基地局では、端末局より報知された選択ビーム群２３０の角度範囲に、許される最大の自由度を使用して、ビームを密に再形成する。これら再形成されたビーム群２３１を利用して通信開始後は情報シンボルを送信する。
【００８８】
このようにＳＩＲの良い角度範囲にビームを密に配置することで、伝搬路特性の変動により精度良く追従することができる。
【００８９】
また、定期的に上記のような使用するビーム群の再設定を行うことで、伝搬路特性の変化に追従することが可能となる。
【００９０】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、複数の異なる指向方向を有するビームを形成する無線基地局と、この無線基地局と通信を行う複数の端末局からなる無線通信システムにおいて、前記各端末局が、前記無線基地局の複数のビームから送信された下り回線の所望信号電力対干渉信号電力の比をそれぞれ推定する手段と、前記所望信号電力対干渉信号電力比から最適なビームを選択するビーム選択手段と、前記選択したビーム番号を前記端末局から前記無線基地局への上り回線を用いて報知する手段と、を備え、前記無線基地局が、前記端末局から報知された前記ビーム番号があれば該ビーム番号に対応するビームを用いて前記端末局に情報信号を送信する送信制御手段と、を備えた無線通信システムとしたので、環境変動に対応可能でありながら、情報伝送効率を保持しつつ、通信品質の改善を実現する無線通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による無線通信システムの無線基地局の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施の形態による無線通信システムの端末局の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施の形態による無線基地局における送信スロットの信号フォーマットの一例を示す図である。
【図４】図２の各ビームＳＩＲ推定部の具体的な構成の一例を示す図である。
【図５】複数のアレーアンテナを設けた本発明による無線通信システムの無線基地局の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の別の実施の形態による無線通信システムの無線基地局の構成を示すブロック図である。
【図７】図６のビーム形成回路の具体的な構成の一例を示す図である。
【図８】本発明の別の実施の形態による無線基地局の構成ブロック図である。
【図９】図８の無線基地局における送信スロットの信号フォーマットの一例を示す図である。
【図１０】本発明のＣＤＭＡ通信方式における端末局の各ビームＳＩＲ推定部の具体的な構成の一例を示す図である。
【図１１】本発明のＣＤＭＡ通信方式における端末局の各ビームＳＩＲ推定部の具体的な構成の別の例を示す図である。
【図１２】本発明のＣＤＭＡ通信方式における端末局の各ビームＳＩＲ推定部の具体的な構成の別の例を示す図である。
【図１３】本発明の別の実施の形態による無線基地局における送信スロットの信号フォーマットの一例を示す図である。
【図１４】本発明の別の実施の形態による無線基地局における送信ビームの形成方法を説明するための図である。
【図１５】本発明のさらに別の実施の形態による無線基地局における送信ビームの形成方法を説明するための図である。
【図１６】本発明のさらに別の実施の形態による無線基地局における送信ビームの形成方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ  アレーアンテナ、１０１〜１０３，１４１  アンテナ素子、１０４〜１０６，１４２  デュプレクサ、１０７〜１０９，１４４  送信機（Ｔｘ）、１１０〜１１２，１４３  受信機（Ｒｘ）、１１３  受信ビーム制御回路、１１４復調器、１１５  ビーム番号検出器、１１６  変調器、１１７  パイロットシンボル発生器、１１８  ビーム切替回路、１４５  各ビームＳＩＲ推定部、１４６ビーム選択回路、１４７  変調器、１５１  パイロットシンボル発生器、１５２〜１５４  相関器（１〜Ｎ）、１５５〜１５７  タイミング検出器（１〜Ｎ）、１５８〜１６０  ＳＩＲ演算器（１〜Ｎ）。
【図１】
2004297750.tif 000003
【図２】
2004297750.tif 000004
【図３】
2004297750.tif 000005
【図４】
2004297750.tif 000006
【図５】
2004297750.tif 000007
【図６】
2004297750.tif 000008
【図７】
2004297750.tif 000009
【図８】
2004297750.tif 000010
【図９】
2004297750.tif 000011
【図１０】
2004297750.tif 000012
【図１１】
2004297750.tif 000013
【図１２】
2004297750.tif 000014
【図１３】
2004297750.tif 000015
【図１４】
2004297750.tif 000016
【図１５】
2004297750.tif 000017
【図１６】
2004297750.tif 000018