(57)【要約】【課題】大地に対して相対的な移動量を減らし、送信信号に指向性を持たせることが可能なデジタル無線送信装置を提供する。【解決手段】デジタル無線送信装置２０００は、移動体の進行方向に沿って配列されたリニアアレイアンテナ１０と、送信可能とするアンテナ素子を移動体の移動方向とは逆方向に順次切換えるための信号切換え部２０と、送信信号に所定の指向性を与えるための重み付け処理を実行する重み付け処理部４０８と、アンテナの切換えに伴うスプリアスを抑制するためのフィルタ処理を実行するためのフィルタ処理部４０２とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル無線通信を行う移動局のための送信装置であって、
前記移動局の進行方向に沿って配列された複数のアンテナと、
前記複数のアンテナのうち送信可能とするアンテナを前記移動局の移動方向とは逆方向に順次切換えるためのアンテナ切換え部と、
送信するためのデータに対して符号化および変調を行うための符号化・変調手段と、
送信信号に所定の指向性を与えるための重み付け処理を実行する重み付け処理手段と、
前記重み付け処理手段の出力がアナログ変換されたのちに、高周波の送信信号へと変換するための高周波処理手段と、
前記アンテナの切換えに伴うスプリアスを抑制するためのフィルタ処理を実行するためのフィルタ処理手段とを備え、
前記アンテナ切換え部は、前記フィルタ処理手段からの信号を、切り換えたアンテナに供給する、デジタル無線送信装置。
【請求項２】
前記移動局は、軌道上を移動する車両であって、
前記複数のアンテナは、前記移動局の外上部に、前記移動局の進行方向に沿って配列される、請求項１記載のデジタル無線送信装置。
【請求項３】
デジタル無線通信を行うためのデジタル無線通信システムであって、
デジタル無線信号を送信する地上局と、
前記デジタル無線信号を受信する移動局とを備え、前記移動局は、
前記移動局の進行方向に沿って配列された複数のアンテナと、
前記複数のアンテナのうち送信可能とするアンテナを前記移動局の移動方向とは逆方向に順次切換えるためのアンテナ切換え部と、
送信するためのデータに対して符号化および変調を行うための符号化・変調手段と、
送信信号に所定の指向性を与えるための重み付け処理を実行する重み付け処理手段と、
前記重み付け処理手段の出力がアナログ変換されたのちに、高周波の送信信号へと変換するための高周波処理手段と、
前記アンテナの切換えに伴うスプリアスを抑制するためのフィルタ処理を実行するためのフィルタ処理手段とを含み、
前記アンテナ切換え部は、前記フィルタ処理手段からの信号を、切り換えたアンテナに供給する、デジタル無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基地局と移動局との間でデジタル通信を行う移動体のための受信装置の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートフォンなどの携帯通信端末は、今や生活必需品であり、バスや列車、航空機内などでもこれによる通信量が増加している。
【０００３】
多数の端末が高密度に存在し移動を伴う環境では、各端末が個別に移動体外の基地局と通信を行うより、移動体内に設置された中継機器を経由して通信するほうが周波数利用効率の面からも好ましい。バスや列車などではこの方式による公衆無線ＬＡＮ（Local Area Network）サービスが既に提供されているが、近年の端末数やトラフィック量の増加に伴ってエントランス回線の容量不足が顕在化しつつある。
【０００４】
新幹線ではＬＣＸ（Leaky Coaxial cable、漏洩同軸ケーブル）がエントランス回線に使用されており、性能向上に向けた研究（たとえば、非特許文献１を参照）も行われているが、２０２０年には通信量が現在の１０倍になるとの予測もあり、それでもなお容量不足が懸念される。新たなエントランス回線の導入を考えた場合、２５６ＱＡＭや１０２４ＱＡＭなどの多値変調やマッシブＭＩＭＯの採用、ミリ波等高い周波数の利用などが想定されるが、従来の参照信号に基づく等化では高速なチャネル変動により性能の劣化が著しいため新たな対策が必要である。
【０００５】
ところで、従来は、高速な移動に伴って発生するドップラーシフトを低減しフェージングの変動速度を低下させるために、特許文献１では、移動体の進行方向に沿って配列された複数のアンテナを用いて基地局から受信された複数の受信信号に基づいて、大地に対して相対的に固定された地点における受信信号を推定し、この推定値を用いて変調パラメータの推定や復調を行う方法が示されている。
【０００６】
そして、特許文献２では、移動体の速度と受信信号のシンボル同期信号より、シンボルタイミングにおける位置からの移動体の移動距離を推定する移動距離推定部と、直線状に配置されたアンテナ列の各アンテナからの受信信号、および移動距離推定部の出力を入力として、アンテナ列からの受信信号を内挿処理して移動体の移動距離に対応した地点の補償受信信号を推定する内挿演算部と、補償受信信号よりシンボル同期信号を生成するシンボル同期推定部と、補償受信信号を復調するディジタル復調部とを備えたフェージング補償装置について開示がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１５２１０５号公報
【特許文献２】特開２００２−５１０９５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】大橋章範他, 三菱電機技報, pp.595, Nov. 2012.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、既存の無線規格を採用した無線システムにこれら特許文献１や特許文献２の方法を適用しようとした場合、既存の無線規格では複数のシンボルからなるフレームを構成し、このフレーム単位で伝搬路の推定や伝搬路等化を行っているため、伝搬路の等化が困難になるという問題がある。また、特定の時点からある時間が経過した時点で、複数のアンテナで同時に受信した信号により、あるアンテナが経過時点でも、地上に対して固定されていると考えられる信号を補償して求めるという構成である。このため、複数のアンテナにより受信に対して指向性を持たせるということは、そもそも、想定されていない。まして、送信の際に、送信電波に指向性を持たせることについては、何ら検討されていない。
【００１０】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、大地に対して相対的な移動量を減らし、送信信号に指向性を持たせることが可能なデジタル無線送信装置およびデジタル無線通信システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明のある局面に従うと、デジタル無線通信を行う移動局のためのデジタル無線送信装置であって、移動局の進行方向に沿って配列された複数のアンテナと、複数のアンテナのうち送信可能とするアンテナを移動局の移動方向とは逆方向に順次切換えるためのアンテナ切換え部と、送信するためのデータに対して符号化および変調を行うための符号化・変調手段と、送信信号に所定の指向性を与えるための重み付け処理を実行する重み付け処理手段と、重み付け処理手段の出力がアナログ変換されたのちに、高周波の送信信号へと変換するための高周波処理手段と、アンテナの切換えに伴うスプリアスを抑制するためのフィルタ処理を実行するためのフィルタ処理手段とを備え、アンテナ切換え部は、フィルタ処理手段からの信号を、切り換えたアンテナに供給する。
【００１２】
好ましくは、移動局は、軌道上を移動する車両であって、複数のアンテナは、移動局の外上部に、移動局の進行方向に沿って配列される。
【００１３】
この発明の他の局面に従うと、デジタル無線通信を行うためのデジタル無線通信システムであって、デジタル無線信号を送信する地上局と、デジタル無線信号を受信する移動局とを備え、移動局は、移動局の進行方向に沿って配列された複数のアンテナと、複数のアンテナのうち送信可能とするアンテナを移動局の移動方向とは逆方向に順次切換えるためのアンテナ切換え部と、送信するためのデータに対して符号化および変調を行うための符号化・変調手段と、送信信号に所定の指向性を与えるための重み付け処理を実行する重み付け処理手段と、重み付け処理手段の出力がアナログ変換されたのちに、高周波の送信信号へと変換するための高周波処理手段と、アンテナの切換えに伴うスプリアスを抑制するためのフィルタ処理を実行するためのフィルタ処理手段とを含み、アンテナ切換え部は、フィルタ処理手段からの信号を、切り換えたアンテナに供給する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のデジタル無線送信装置およびデジタル無線通信システムによれば、移動局の進行方向に沿って配列させた複数のアンテナで構成されるリニアアレーアンテナを用いて、移動局の移動と逆方向に使用するアンテナを順次切換えることで、大地に対して相対的な移動量を減らし、送信信号に指向性を持たせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態のデジタル無線通信システム１０００の構成を説明するための機能ブロック図である。
【図２】リニアアレイアンテナ１０において、受信状態とするアンテナを切り替える処理を説明するための概念図である。
【図３】実施の形態のデジタル無線送受信装置２０００の構成を説明するための機能ブロック図である。
【図４】１つの切換えスイッチ２０１の場合の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態の無線通信システムについて、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。
【００１７】
なお、以下では、無線通信において一方が、地上に固定された基地局であり、他方が移動体上で動作する装置（移動局）であるものとして説明する。
【００１８】
（無線通信システムの概要）
図１は、実施の形態のデジタル無線通信システム１０００の構成を説明するための機能ブロック図である。
【００１９】
以下では、移動体の例として、軌道上を移動する列車を例にとることにする。
【００２０】
本実施の形態では、列車２０１０は、１次元的な移動を行うことに着目し、多素子アンテナを設置し受信する素子を順次切換えることで、チャネル変動を低速化する。この技術では、図１に示すように列車の進行方向に沿って多数のアンテナ素子１０．１〜１０．２ｎを直線状に並べたリニアアレーアンテナ１０を使用する。
【００２１】
地上局２００からは列車に対して無線信号が送信され、リニアアレイアンテナ１０のうちの受信状態となるアンテナ素子１０．ｉ（１≦ｉ≦２ｎ）は、信号切換え部２０により切り替えられる。
【００２２】
リニアアレイアンテナ１０、信号切換え部２０およびデジタル信号処理部５０は、車載中継局として機能する。
【００２３】
デジタル信号処理部５０からの受信信号は、車載アクセスポイント６０を介して、所定の通信規格の無線信号（たとえば、無線ＬＡＮ信号）に再び変換され、端末５１０．１〜５１０．ｍに送信される。
【００２４】
図２は、リニアアレイアンテナ１０において、受信状態とするアンテナを切り替える処理を説明するための概念図である。
【００２５】
図２に示すように、リニアアレイアンテナ１０のうちの受信する素子を、列車２０１０の時刻ｔ１〜ｔｍの間の移動に応じて、進行方向と逆に順次切換え、リニアアレイアンテナ１０の全体の長さＬで決まる一定の範囲内の移動では、実質的に受信点を一定位置Ｐに固定するため、理想的にはチャネル変動やドップラーシフトの発生を除去する。なお、仮に、理想的に受信点を一定位置Ｐに固定することが困難なほど高速に移動する場合であっても、チャネル変動やドップラーシフトを軽減することが可能である。
【００２６】
従って、キャリア周波数高くなるほど、移動が高速になるほど大きな効果が期待できる。
【００２７】
なお、信号切換え部２０の切り替え制御にあたっては、切換え周期やタイミングは、Ａ／Ｄ変換器のサンプリングや、ＯＦＤＭの場合ではシンボル周期、ＦＦＴウィンドウ位置を考慮する。
【００２８】
また、信号切換え部２０は、フレーム期間の最後において、受信を行う後端の素子から、先頭の素子に切換えるタイミングでは、受信側において周知の方法で検出されるフレーム周期に同期するように切り替えを行う。
【００２９】
すなわち、リニアアレイアンテナにおいて切り替えを行う範囲の長さＬは、移動体の想定される最高速度と通信システムで採用している最大のフレーム長により決まる長さとする。ここで、切り替えを行う範囲は、リニアアレイアンテナ１０の全長の一部であってもよい。
【００３０】
たとえば、フレーム長の時間をＴｆ（ｓ）とし、移動体の最高速度をＶ（ｍ／ｓ）とすれば、少なくとも、リニアアレイアンテナ１０切り替えを行う範囲の長さＬは、Ｌ＝Ｔｆ×Ｖ以上が必要となる。これは、たとえば、Ｖ＝１００ｋｍ／ｈであり、Ｔｆ＝１０ｍｓであれば、約３０ｃｍとなる。
【００３１】
そして、上述のとおり、受信信号切り替え制御部３０８は、切り替えを行う範囲の長さＬにおいて、フレーム内では移動方向末尾のアンテナから最初のアンテナに切換える操作が発生しないようにする。
【００３２】
そして、Ａ／Ｄ変換過程での劣化を減らすため、シンボル周期の整数比となる周期でのアンテナ切換えタイミングを採用する。
【００３３】
図３は、実施の形態のデジタル無線送受信装置２０００の構成を説明するための機能ブロック図である。
【００３４】
なお、上述したように、デジタル無線送受信装置２０００は、移動体に設置され、地上局（たとえば基地局）から送信されてくる信号を受信するものとする。
【００３５】
図３を参照して、デジタル無線送受信装置２０００は、一方方向に整列されたリニアアレイアンテナ１０を備える。リニアアレイアンテナには、２ｎ本のアンテナが含まれるものとして、各アンテナを区別する必要がある場合は、上述のとおり、アンテナ１０．１〜１０．２ｎと記載する。
【００３６】
デジタル無線送受信装置２０００は、さらに、アンテナ１０．１〜１０．２ｎのうちから、受信状態となるアンテナを順次選択して切り替えるための信号切換え部２０と、列車２０１０の移動速度を検知するための車両移動速度検知部２２と、信号切換え部２０からの信号に対して信号処理を行うためのデジタル信号処理部５０とを含む。
【００３７】
信号切換え部２０は、アンテナ１０．１〜１０．２ｎのうちの奇数番目のアンテナ１０．１〜１０．２ｎ−１の切換えを行う切換えスイッチ２００．１と、アンテナ１０．１〜１０．２ｎのうちの偶数番目のアンテナ１０．２〜１０．２ｎの切換えを行う切換えスイッチ２００．２と、切換えスイッチ２００．１および２００．２の切換え動作を、車両移動速度検知部２２で検知された移動速度ｖに応じた周波数で制御する切換え制御部２００．３とを含む。
【００３８】
なお、以下では、アンテナ１０を奇数番目と偶数番目の２つのグループに分けるものとして説明するが、分割するグループの数（グループ分割数）は、これよりも多くてもよい。その場合は、そのグループ分割数に応じて、受信および送信の系統が設けられればよい。以下では、２系統であるものとして説明する。
【００３９】
切換え制御部２００．３が、切換えスイッチ２００．１および２００．２を切換えるスイッチング周波数fsw(Hz)は、以下の式で計算される。
【００４０】
【数１】
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ここで、ｖ（ｍ／ｓ）がアレーアンテナ移動の速度で、ｄ（ｍ）がアンテナ素子間の間隔である。
【００４１】
デジタル信号処理部５０は、時分割（ＴＤＤ：Time Division Duplexに相当。）で受信処理と送信処理とを切り替え受信経路と送信経路とを切り換えるためのモード切換え部２４と、受信モード時の動作において、アンテナ１０．１〜１０．２ｎによる受信信号が信号切換え部２０の切換えスイッチ２００．１および２００．２を経由した信号に対して、受信処理を実行する受信部３０を含む。
【００４２】
受信部３０は、アンテナ１０．１〜１０．２ｎによる受信信号が信号切換え部２０の切換えスイッチ２００．１および２００．２を経由した信号に対して、それぞれ、高周波信号処理をするためのＲＦ部３０２．１および３０２．２と、ＲＦ部３０２．１および３０２．２からの信号に対して、それぞれアナログデジタル変換を実行するためのＡ／Ｄ変換部３０４．１および３０４．２と、Ａ／Ｄ変換部３０４．１および３０４．２から順次与えられる信号に対して、重み付け処理部３０６が、周知の制御により重み付け処理をすることで、受信を所定の指向性の方向から行うこととし、復調部３０８が、復調処理した信号に、復号・誤り訂正部３１２が、復号処理および誤り訂正処理を実行して、受信信号を出力する。
【００４３】
一方、デジタル信号処理部５０は、送信モード時の動作において、モード切換え部２４および切換えスイッチ２００．１および２００．２を経由して、アンテナ１０．１〜１０．２ｎによる送信信号を与える送信部４０を含む。
【００４４】
送信部４０は、送信信号を符号化する符号化処理部４１４と、符号化した信号を変調する変調部４１０と、変調した信号に所定の重み付け処理（移相処理）を行うことで、所定の送信指向性を生成するための重み付け処理部４０８と、重み付け処理後の信号に対して、それぞれ、デジタルアナログ変換を実行するためのＤ／Ａ変換部４０６．１および４０６．２と、Ｄ／Ａ変換部４０６．１および４０６．２から順次与えられる信号に対して、高周波信号処理を実行するためのＲＦ部４０４．１および４０４．２と、ＲＦ部４０４．１および４０４．２の出力に対して、フィルタ処理を実行するフィルタ処理部４０２とを含む。フィルタ処理部４０２の出力は、モード切換え部２４を経由して、信号切換え部２０に与えられる。
【００４５】
ここで、切換えスイッチ２００．１および２００．２は、たとえば、交互に１つずつ移動方向とは逆に切り換える構成とすることができる。
【００４６】
切換えスイッチ２００．１および２００．２のこのような動作と対比するために、切換えスイッチが１つで、アンテナ素子１０．１〜１０．２ｎを順次切換える構成について検討する。
【００４７】
図４は、このような１つの切換えスイッチ２０１の場合の構成を示す図である。
【００４８】
図４に示すように、１つの切換えスイッチ２０１で、単純に１アンテナ素子を順次切換えるとすると、移動がノコギリ波状になる。すなわち２つのアンテナ素子の間での移動がスムーズには行えない。
【００４９】
これに対して、図３に示したように、２アンテナ素子を同時に使って、この電力比を変えて送信する構成とすれば、２アンテナ素子の合成として、素子間を見かけ上滑らかに移動するようにすることで、より固定的に静止しているのに近い状態を実現することができる。
【００５０】
なお、以上説明したような、２アンテナ素子を同時に使用する構成であっても、より高速に切り替えるとスプリアスが生じる懸念がある。これに対処するには、上記の構成を、同時に２アンテナ素子を使用する状態から、より多くのアンテナ素子を使用するように拡張し、同時に多数のアンテナ素子が異なる電力で送信することで、各アンテナについてみれば、送信オフからフルパワー送信への遷移を緩やかにし、スプリアスを減少させることができる。この時に、各素子の位相も合わせて変えることで、指向性も可変とできる。指向性形成時には、仮想送信点に近接したいくつかの素子はフルパワーで送信することになる。
【００５１】
フィルタ処理部４０２は、以下のような処理を実行する。
【００５２】
送信時に機械的なスイッチ等により高速な切換えを行うとスプリアスが発生するため、隣接周波数へのスプリアスが劣化につながるＯＦＤＭなどでは通常は受信に限ってこの技術を使用するほかない。
【００５３】
その結果、受信では性能改善が出来ても送信では効果が得られないことや、ＴＤＤでは基地局でのアップリンク信号からのチャネル推定結果と実際のダウンリンクのチャネルとに誤差が生じるなどの問題がある。
【００５４】
そこで、複数のアンテナ素子を使って送信を行い、各素子は大きなスプリアスを生じない様にステップ的な切換えでなく、フィルタ処理部４０２により緩やかな遷移を伴う切換えを行なう。アレーアンテナの物理的な移動に対して見かけ上の逆方向の移動が、受信時の重み合成による受信点切換え時と同様に、送信素子の合成波の見かけ上の送信点が連続的に等速運動するようにしつつスプリアスを抑制するように各素子の重み付けを行う。
【００５５】
たとえば、ＴＤＤにおいて、基地局で受信信号から伝搬路を推定して、伝搬路の相反性を利用して送信時の伝搬路等化のためのプリコーディングやアンテナ指向性形成にに利用する場合、送信点と受信点が異なると劣化要因となる。そこで、以上説明したような構成により、受信点に対応して送信点も固定することが望ましい。
【００５６】
このとき、重み付け処理部３０６および重み付け処理部４０８により位相を制御した複数素子の同時受信または同時送信となる事からビームフォーミングが行なえるので、特定の方向に対してゲインを得ることができる。
【００５７】
なお、以上の説明では、無線通信の一方側は、電車やバスのような移動体上で動作する無線通信装置であるものとして説明した。これは、一方が移動体であることにより、上述したように、移動に伴うチャネル変動やドップラーシフトを軽減する必要があるためである。ただし、本実施の形態の技術では、移動局とは、このような場合に限定されるものではない。たとえば、ミリ波などの波長の短い電波では、ノートＰＣなどを１次元的に移動させる（例えば、机の上で滑らす）時にも効果がある。したがって、このように、移動が可能な無線通信装置を総称して、移動局と呼び、本実施の形態の技術は、このような移動局に対して適用することが可能である。
【００５８】
今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５９】
１０  リニアアレイアンテナ、１０．１〜１０．２ｎ  アンテナ素子、２０  信号切換え部、２２  車両移動速度検知部、２４  モード切換え部、３０  受信部、４０  送信部、５０  デジタル信号処理部、６０  車載アクセスポイント、３０２．１〜３０２．２  ＲＦ部、３０４．１〜３０４．２  Ａ／Ｄ変換部、３０６  重み付け処理部、３０８  復調部、３１２  復号・誤り訂正部、４０２  フィルタ処理部、４０４．１〜４０４．２  ＲＦ部、４０６．１〜４０６．２  Ｄ／Ａ変換部、４０８  重み付け処理部、４１０  変調部、４１４  符号化処理部、５００  地上局、５１０．１〜５１０．ｍ  端末、１０００  デジタル無線通信システム、２０００  デジタル無線送受信装置、２０１０  列車。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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