(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御局と、前記制御局と光ファイバで結ばれた複数の基地局とを有し、前記基地局と移動体が無線通信する移動体無線通信システムにおいて、
基地局アンテナは、複数の要素アンテナに給電される電気信号の振幅と相対位相を電気的に変えることにより指向性が変化するフェーズドアレーアンテナで構成される可変指向性アンテナであり、
前記制御局は、前記基地局アンテナの指向性を制御するために、基地局アンテナが移動体から受信した信号に基づいて電波の到来方向を推定し、当該基地局アンテナに給電する電気信号の振幅と相対位相を演算により算出し、
基地局に供給する、伝送したい情報で変調された高周波電気信号を、制御局に設置した移相器と可変減衰器を操作して複数作り出し、作り出された信号を、それぞれ波長の異なる光で強度変調して合成して基地局に光伝送し、
前記基地局では受信した光信号を各波長ごとに分離して、それぞれを各要素アンテナに供給する高周波電気信号に変換し、それぞれの要素アンテナに供給し、電波として放射することにより、
基地局アンテナが移動体の移動にあわせて適応的にその指向性を変えながら通信することを特徴とする移動体無線通信システム。
【請求項２】
制御局と、前記制御局と光ファイバで結ばれた複数の基地局とを有し、前記基地局と移動体が無線通信する移動体無線通信システムにおいて、
基地局アンテナは、複数の要素アンテナに給電される電気信号の振幅と相対位相を電気的に変えることにより指向性が変化するフェーズドアレーアンテナで構成される可変指向性アンテナであり、
前記制御局は、前記基地局アンテナの指向性を制御するために、基地局アンテナが移動体から受信した信号に基づいて電波の到来方向を推定し、当該基地局アンテナに給電する電気信号をディジタル信号処理で複数作り出し、
作り出された信号を、それぞれ波長の異なる光で強度変調して合成して基地局に光伝送し、
前記基地局では受信した光信号を各波長ごとに分離して、それぞれを各要素アンテナに供給する高周波電気信号に変換し、それぞれの要素アンテナに供給し、電波として放射することにより、
基地局アンテナが移動体の移動にあわせて適応的にその指向性を変えながら通信することを特徴とする移動体無線通信システム。
【請求項３】
前記電波の到来方向の推定は、移動体から伝送したい情報で変調された電波として放射された高周波電気信号を、前記基地局の各要素アンテナで受信して、それぞれを波長の異なる光で強度変調して合成し、前記制御局において受信した光強度信号を各波長ごとに分離して、その分離された光強度変調信号を、元の高周波電気信号に変換し、その高周波電気信号の振幅と位相を解析することにより行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の移動体無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御局と、前記制御局と有線で結ばれた複数の基地局とからなり、前記基地局と移動体が無線通信する移動体無線通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
将来のパーソナル通信への適用を目指し、光ファイバとファイバ無線技術（高周波信号の伝送線路として同軸ケーブルの代わりに光ファイバを用いる技術）を最大限に活用し、ミリ波若しくは準ミリ波でＢ−ＩＳＤＮ網へのワイヤレスアクセスを実現するＡＴＭワイヤレスアクセスシステムが提案されている（M. Umehira, A. Hashimito, H. Matsue,“ An ATM Wireless System for Tetherless Multimedia Services”ICUPC '95 IEEE）。
【０００３】
図６は、このようなワイヤレスアクセスシステムの一例を示すブロック構成図である。
図６のＥ／Ｏは電気−光変換素子を示し、Ｏ／Ｅは光−電気変換素子を示す（以下、Ｅ／ＯとＯ／Ｅを合わせて「光電変換素子」という）。「×」印はミキサ、「Ａ」は可変減衰器、「矢印付のφ」は移相器、「三角」は増幅器、「矢印付の切欠円」はサーキュレータ、「〜」は局部発振器を示す（以下の図面において同じ）。
【０００４】
同システムにおいて、基地局６０，６１，６２，‥‥は、光電変換素子、ミキサ、増幅器、サーキュレータ、局部発振器、及びアンテナを備える。前記アンテナは、無指向性アンテナであり、各基地局ごとに１つ備えられる。
制御局５０は、Ｂ−ＩＳＤＮ等の公衆網と接続される交換機５１、変調器５２及び復調器５３、局部発振器、ミキサ及び光電変換素子を備える。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記システムでは、基地局アンテナとして、無指向性アンテナの採用を前提としている。
無指向性アンテナは、信号電力を全方位に等しく放射するため、移動局の存在しない方向にも電波が放射され、マルチパスフェージングが起きやすい。この結果、広帯域大容量伝送が阻害されることになる。
【０００６】
そこで、セクタアンテナを複数用いて、それぞれ時間的に切替えれば、マルチパスフェージングの弊害は軽減されるが、セクタアンテナ１本当たりの指向性を絞り基地局１局当たりのアンテナ数を増すほど、移動局の移動に伴うアンテナの切替え回数が増え、アンテナ切替えスイッチの実現が困難になる。
しかも、セクタアンテナ１個当たりの大きさも増えるので基地局のサイズが大きくなり設置場所に関するコストが増加する。
【０００７】
そこで、本発明は、簡易な基地局を使用し、移動体の位置に合わせて指向性をきめ細かく制御する機能を持つ移動体無線通信システムを実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の移動体無線通信システムは、基地局アンテナが、複数の要素アンテナに給電される電気信号の振幅と相対位相を電気的に変えることにより指向性が変化するフェーズドアレーアンテナで構成される可変指向性アンテナであり、制御局は、前記基地局アンテナの指向性を制御するために、基地局アンテナが移動体から受信した信号に基づいて電波の到来方向を推定し、当該基地局アンテナに給電する電気信号の振幅と相対位相を演算により算出し、基地局に供給する、伝送したい情報で変調された高周波電気信号を、制御局に設置した移相器と可変減衰器を操作して複数作り出し、作り出された信号を、それぞれ波長の異なる光で強度変調して合成し、前記基地局に前記光ファイバを通して伝送することによって、基地局アンテナが移動体の移動にあわせて適応的にその指向性を変えながら通信するものである。
【０００９】
前記の構成によれば、電気的に指向性を切り替えることができる可変指向性アンテナを採用し、その指向性制御を制御局において集中的に行う。前記可変指向性アンテナは、複数の要素アンテナを含むフェーズドアレーアンテナで構成されている。フェーズドアレーアンテナは、要素アンテナを一次元又は二次元に配置し、各要素アンテナに移相器を用いて位相差を与えてやるもので、これによりアンテナから発射される電波の等位相面を決めることができる。さらに各要素アンテナに給電する信号の振幅を制御してやれば、より精度よく所望の指向性を作りだすことができる。
【００１０】
前記通信媒体は光ファイバであり、前記基地局アンテナの指向性を制御するために、基地局に供給する、伝送したい情報で変調された高周波電気信号を、制御局に設置した移相器と可変減衰器を操作して複数作り出し、作り出された信号を、それぞれ波長の異なる光で強度変調して合成して基地局に光伝送し、前記基地局では受信した光信号を各波長ごとに分離して、それぞれを各要素アンテナに供給する高周波電気信号に変換し、それぞれの要素アンテナに供給することにより電波として放射する。
また、このシステムでは、制御局で、各基地局アンテナで受信される高周波信号の到来方向を一括して推定できるので、基地局で推定演算用の計算機を用意する必要がなく、基地局の小型化が可能となる。
【００１１】
このように制御局において、伝送したい情報で変調された高周波電気信号を光信号に変換し、光ファイバで基地局まで伝送するいわゆる「ファイバ無線技術」に波長多重の方法を適用することにより、位相の異なる複数の高周波電気信号を伝送する際にも光ファイバの本数が最小限で済み、損失の少ない広帯域の伝送をすることができる。
【００１２】
また、前記基地局アンテナの指向性を制御するために、基地局に供給する、伝送したい情報で変調された高周波電気信号を、ディジタル信号処理で複数作り出し、作り出された信号を、それぞれ波長の異なる光で強度変調して合成して基地局に光伝送し、前記基地局では受信した光信号を各波長ごとに分離して、それぞれを各要素アンテナに供給する高周波電気信号に変換し、それぞれの要素アンテナに供給することにより電波として放射するものであってもよい（請求項２）。
【００１３】
このシステムでは、伝送したい情報で変調された高周波電気信号を、ディジタル信号処理で複数作り出しているが、これには、例えばディジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）という技術を採用することができる。この技術は、移相器の代わりに、要素アンテナに供給する信号をディジタル信号処理で作るものである。具体的には、個々の要素アンテナからの信号をディジタル信号に変換して取り込み、信号の振幅及び位相に対して各々ウェイトを与えて合成してアンテナの指向性を制御する。
【００１６】
また、請求項３記載の発明においては、基地局の各要素アンテナで受信した高周波の到来方向を制御局で推定する機能を具体的に述べている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、基地局と移動体とが双方向無線通信する移動体無線通信システムを示す。各基地局２は、光ファイバ４を通して制御局１（中央の建物）と結ばれており、基地局２のアンテナ３は複数の要素アンテナからなるアレーアンテナとなっている。
【００１８】
図２は、基地局２及び制御局１のハードウェアのブロック構成図を示す。
電気−光変換素子Ｅ／Ｏは、例えば電気信号で励振される半導体レーザや、光源光の強度を電気信号で変調する光外部変調素子からなり、光−電気変換素子Ｏ／Ｅは、インパットダイオードやＰＩＮダイオードといった受光素子からなる。基地局２は、光ファイバ４と接続された波長多重部２１、光電変換素子、局部発振器２２、要素アンテナ駆動部２３ａ，２３ｂ，‥‥，２３ｎ（以下、総称するときは「要素アンテナ駆動部２３」という）、及び要素アンテナ３ａ，３ｂ，‥‥，３ｎ（以下、総称するときは「要素アンテナ３ｉ」という）からなる。
【００１９】
波長多重部２１は、光ファイバを伝送してきた各波長の光を分離するもので、例えば光学フィルタと光カップラにより構成される。要素アンテナ駆動部２３は、ミキサ、増幅器、サーキュレータからなり、各要素アンテナ３ｉを駆動する。前記ミキサは、周波数を、例えば１．５ＧＨｚ帯から６０ＧＨｚ帯に変換して、要素アンテナ３ｉから放射させるものである。
【００２０】
一方、制御局１は、公衆網と接続される変調器１５及び復調器１６、局部発振器１４、ミキサ１７、サーキュレータ、給電分配部１３、可変減衰器、移相器、サーキュレータ、光電変換素子並びに波長多重部１１を備える。
なお、図２では基地局２は１つしか描かれていないが、実際には、基地局は複数あり、制御局１も各基地局に対応して、前記構成を複数持っていることは勿論である。また、制御局１におけるチャンネル割当やハンドオーバーの機能は、図示を省略している。
【００２１】
変調器１５は、公衆網から入る音声信号や画像信号等を例えば２Ｍ bpsでπ／４−ＱＰＳＫ変調し、復調器１６はこの反対の復調を行う。ミキサ１７は、局部発振器１４から発生する信号を使って、前記ＧＭＳＫされた信号を中間周波帯（１．５ＧＨｚ帯）に変換する。給電分配部１３は、中間周波帯の信号をｎ個に分配する。
【００２２】
これらの分配された信号は、可変減衰器及び移相器により所定の振幅と位相差が与えられた後、光電変換素子によって強度変調されたそれぞれ異なる波長の光に変換される。これらの光は、波長多重部１１を通して光ファイバ４により伝送される。
ここで、電波の到来方向を推定し、アンテナの指向性の制御信号を作り出すビーム制御演算部１２の機能を説明する。ビーム制御演算部１２は、基地局の要素アンテナからミキサ、光ファイバ、波長多重部、光電変換素子を経て制御局に届いた複数の中間周波信号の振幅と位相を解析して、電波の到来方向を推定する。このときの推定手法としては、ＭＵＳＩＣ法やＥＳＰＲＩＴ法、最尤推定法など多くの手法がすでに提案されており、それらは例えばH. Krim and M. Viberg,“Two Decades of Array Signal Processing Research ”IEEE Signal Processing Magazine, pp. 67-94, July 1996 に紹介されている。
【００２３】
次に、ビーム制御演算部１２は、推定した方向に基地局アンテナの指向性を合成するために必要な移相器と可変減衰器の制御信号を作りだす。指向性合成の手法としては、例えば、関口，稲垣“指向性合成理論”電気通信学会誌，第48巻４号，1965年４月に紹介されている。移動局の移動に伴い電波の到来する方向は常に変化しているため、適当な時間間隔で前記電波到来方向推定と指向性合成の演算が行われる。
【００２４】
以上のように、移動体の位置を識別し、その移動方向を推定することができるので、本発明のシステムを、制御局１が各基地局の指向性を一括管理する指向性集中制御方式に適用することができる。図３は、複数の基地局２ａ，２ｂ及び基地局と通信しようとする車両Ｃ１，Ｃ２を描いている。この指向性集中制御方式によれば、例えば、基地局２ｂが特定の車両Ｃ２と通信しているときに（図３(a) 参照）、他の車両Ｃ１から通信要求があれば、隣接する基地局２ａが代わりに車両Ｃ１と通信できるようにアンテナ指向性を制御する。
【００２５】
図４は、他の実施形態に係る移動体無線通信システムを示す。このシステムは、ディジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）に対応した構成をとっており、各要素アンテナで受信された信号をディジタル信号処理することにより任意の方向に指向性を形成することができる（唐沢好男，猪俣英行「通信用ディジタルビームフォーミングアンテナ」電子情報通信学会誌Vol. 78 No. 9 pp899-906 1995年９月）。
【００２６】
基地局２の構成は、図２のものと変わらないが、制御局１Ａの構成が図２のものと異なっている。
制御局１Ａは、ディジタル信号処理部１８、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器を有する。ディジタル信号処理部１８は、公衆網から入る音声信号や画像信号を例えば１３０ＭＨｚのクロックで２Ｍbits/sのπ／４−ＱＰＳＫ信号を作り出すためのディジタル信号処理を行う。Ｄ／Ａ変換器は、ディジタル信号処理部１８から送られてきたディジタル信号を２Ｍbits/sのπ／４−ＱＰＳＫ信号に変換する。こうして得られた信号は各要素アンテナで指向性を形成するための位相と振幅に関する情報を有している。
【００２７】
この方式によれば、図２の実施形態に係る移動体無線通信システムのような、可変減衰器、移相器及びこれらを制御するビーム制御演算部１２が不要になり、一層の集積化を進めることができる。
図５はさらに他の実施形態に係る移動体無線通信システムの構成図である。
このシステムでは、波長多重を行わないで単一の波長の光を使用する。そして、各要素アンテナ３ｉの振幅・位相を制御する信号（以下「制御信号」という）を制御局１Ｂから基地局２Ｂに送り、基地局２Ｂで所定の振幅・位相を持った無線信号を作り出すこととしている。
【００２８】
基地局２Ｂは、光電変換素子、分波器２４、給電分配部２５、制御信号分配器２６、要素アンテナ駆動部２７、及び要素アンテナ３ｉからなる。
分波器２４は、光電変換素子で変換された電気信号に含まれる制御信号を取り出すもので、例えばフィルタからなる。給電分配部１３は、光電変換素子で変換された電気信号をｎ個に分配する。制御信号分配器２６は、制御信号に含まれている各要素アンテナ３ｉの振幅・位相情報を分配し、それぞれ要素アンテナ駆動部２７に供給する。
【００２９】
要素アンテナ駆動部２７は、可変減衰器、移相器、ミキサ、増幅器、サーキュレータからなる。可変減衰器及び移相器は、制御信号に含まれている各要素アンテナ３ｉの振幅・位相情報に従って振幅と位相を設定するものである。
一方、制御局１Ｂは、公衆網と接続される変調器１５及び復調器１６、局部発振器１４、ミキサ１７、合波器１９、ビーム制御演算部２０及び光電変換素子からなる。
【００３０】
ビーム制御演算部２０は、図２のビーム制御演算部１２と同じく、各要素アンテナ３ｉの振幅・位相情報を作りだすものであるが、異なるところは、作った振幅・位相情報を合波器１９によりいったん電気信号と合成（例えば副搬送波多重）し、光ファイバ４を通して伝送するところである。
このように、このシステム構成では、制御信号を制御局１Ｂから基地局２Ｂに送り、基地局２Ｂで所定の振幅・位相を持った無線信号を作り出すので、波長多重の操作は必要なくなり、制御局１Ｂの負担は軽くなる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明の移動体無線通信システムによれば、電気的に任意の方向に形成することができるアンテナを採用し、その指向性制御を制御局において集中的に行う。これにより、基地局の機能を下げることなく、その負担を軽くし、全体としてローコスト化を図ることができる。
【００３２】
また、フェーズドアレーアンテナによりアンテナから発射される電波の所望の指向性を作りだすことができる。そして、波長多重技術を用いるので、光ファイバの本数が最小限で済み、損失の少ない広帯域の伝送をすることができる。また、制御局で、各基地局アンテナで受信される高周波信号の到来方向を一括して推定できるので、基地局で推定演算用の計算機を用意する必要がなく、基地局の小型化が可能となる。
【００３３】
特に、請求項２記載の移動体無線通信システムによれば、伝送したい情報で変調された高周波電気信号を、ディジタル信号処理で複数作り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基地局と移動体とが双方向無線通信する移動体無線通信システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る基地局２及び制御局１のハードウェアのブロック構成図である。
【図３】指向性集中制御方式を説明する図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る移動体無線通信システムを示す図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態に係る移動体無線通信システムを示す図である。
【図６】従来の移動体無線通信システムを示す図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ  制御局
２，２Ｂ  基地局
３  アンテナ
３ａ，３ｂ，‥‥，３ｎ  要素アンテナ
４  光ファイバ
１１  波長多重部
１２  ビーム制御演算部
１３  給電分配部
１４  局部発振器
１５  変調器
１６  復調器
１７  ミキサ
１８  ディジタル信号処理部
１９合波器
２０ビーム制御演算部
２１  波長多重部
２２  局部発振器
２３ａ，２３ｂ，‥‥，２３ｎ  要素アンテナ駆動部
２４分波器
２５給電分配部
２６制御信号分配器
２７要素アンテナ駆動部
【図１】
0003997294.tif 000002
【図２】
0003997294.tif 000003
【図３】
0003997294.tif 000004
【図４】
0003997294.tif 000005
【図５】
0003997294.tif 000006
【図６】
0003997294.tif 000007