JP3699295B2

JP3699295B2 - 無線通信システム

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Publication number: JP3699295B2
Application number: JP14346699A
Authority: JP
Inventors: ▲隆▼二河野; 啓希望月
Original assignee: Toshiba Tec Corp
Current assignee: Toshiba Tec Corp
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2019-05-24
Also published as: US6522898B1; JP2000332667A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、屋内無線ＬＡＮシステムなどに適用され、基地局と複数の端末局との間でデータを送受信する無線通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、屋内空間において無線通信を行う場合、マルチパス（多重反射波）によるフェージングの影響を強く受けるため、最大受信波が到来する方向に指向性を絞って送受信することが有効となる。例えば、特開平９−２３２８４８号公報のものは、図１５に示すように、アレーアンテナ１、サーキュレータ２、低雑音増幅器とダウンコンバータからなる受信モジュール３、Ａ／Ｄ変換器４、準同期検波回路５、局部発振器６，７、デジタルビーム形成回路（ＤＢＦ）８、ビーム選択回路９、最大比合成回路１０、復調器１１、同相分配器１２、位相・振幅補正部１３、ウエイト分解演算回路１４、送信ウエイト演算回路１５、直交変調器１６、アップコンバータと送信電力増幅器からなる送信モジュール１７及び送信局部発振器１８，１９からなるアレーアンテナの制御装置を提供している。
【０００３】
この制御装置は、アレーアンテナ１の各素子が受信した信号出力をＡ／Ｄ変換器４でＡ／Ｄ変換後に準同期検波回路５で準同期検波して同相／直交成分に分けた後、最大比合成回路１０での最大比合成によりウエイト値を変えて合成することにより受信時の指向性が最適になるように制御している。また、送信時には、ウエイト分解演算回路１４で演算した受信ウエイト値に基づいて送信ウエイト演算回路１５が送信ウエイト値を計算し、この送信ウエイト値で送信信号を重み付けした後、直交変調器１６、送信モジュール１７を介してアレーアンテナ１から最大受信波の方向に送信主ビームを形成するようにして送信している。
【０００４】
しかしながら、この従来装置は、通信相手局に追従するために到来波の方向を実時間で高速に計算し指向性を切換えて行く必要があるため、装置の構成が複雑で大形化するという問題があった。
【０００５】
この問題を解決するものとして、例えば、特開平９−２１９６１５号公報のアダプティブアレイ送受信装置が知られている。これは、図１６に示すように、複数のアンテナ素子からなるアレイアンテナ２１と、各アンテナ素子の送受信信号に対して、設定された重み係数を乗じることにより振幅および位相の重み付けを行う重み付け器２２と、この重み付け器２２を介して各アンテナ素子への送信信号の分配とアンテナ素子からの受信信号の合成を行う分配／合成部２３と、送受信部２４と、インターフェース２５と、外部演算装置２６を備え、指向性の適応制御の計算を外部演算装置２６で非リアルタイムで送信相手の各端末毎に行い、各端末毎の重み付け値の切換えを送受信で予め各端末にタイムスロットを割振り、時分割で行うようになっている。これにより、構成の簡単化、小形化を図っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９−２１９６１５号公報のアダプティブアレイ送受信装置は、アダブティブアレイアンテナを基地局に用いて各端末局と通信を行う場合、各端末局毎に予め送信用及び受信用のタイムスロットを割り振っている。すなわち、基地局とＮ個の端末局とで構成されるシステムでは、Ｎ個の送信用タイムスロットとＮ個の受信用タイムスロットが予め割り振られている。
【０００７】
このような構成では、端末局において通信要求があっても無くてもそれには関係なくタイムスロットは割り振られた各端末局に占有されるため、端末局で通信要求が無い場合には割り振られたタイムスロットの時間が無駄時間になってしまうという問題があった。また、データ量の多い通信要求を持った端末局にとっては、固定のタイムスロットでは通信時間が足りなくなるため、データをいくつかのタイムスロットに分けて送信しなければならずデータ通信効率が悪くなる問題があった。
【０００８】
従って、この装置を、例えば、基地局を接続したホストコンピュータと端末局を接続した複数のＰＯＳ（ポイント・オブ・セールス）ターミナルからなり、ホストコンピュータと各ＰＯＳターミナルとで商品の価格の問合わせや商品販売登録データの送信を無線で行う無線ＰＯＳシステムに適用した場合、あるＰＯＳターミナルからホストコンピュータへの価格の問合わせや商品販売登録データの通信要求が集中することがあると、割り振られたタイムスロットの長さがデータ通信に不十分となったり、他のＰＯＳターミナルにおいて通信要求が無い場合にはそのＰＯＳターミナルに振り分けたタイムスロットが無駄時間となってしまうため、システム効率が低下するという問題があった。
【０００９】
そこで、各請求項記載の発明は、各端末局に予めタイムスロットを割り振らずに、通信要求した端末局を的確に認識してその端末局に対する指向性を予め設定した重み付け値により決定して制御し通信を行うことで、通信要求のあった端末局とで効率よく通信ができ、また、通信要求の無い端末局に対して無駄時間を発生せず、しかも、重み付け値を予め記憶しておくので構成が簡単な無線通信システムを提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、複数のアンテナ素子からの受信出力の振幅と位相に重み付け値を乗じて合成した信号を復調する受信手段及び変調した信号を複数に分配し、この分配した各信号の振幅と位相に重み付け値を乗じてそれぞれ各アンテナ素子から放射させる送信手段を備えた無線通信装置を有する基地局と、この基地局との間で無線通信し、基地局のサービスエリアに設置される複数の端末局からなる無線通信システムにおいて、各端末局は、通信要求が発生したとき、基地局からの自局識別信号に応答して通信要求信号を送信する手段を備え、基地局は、端末局の特定時に使用する各端末局に対応して各アンテナ素子毎に設定された重み付け値を記憶するとともに端末局の未特定時に使用する指向性ビーム走査のための重み付け値を記憶した重み付け値記憶手段と、端末局の未特定時に重み付け値記憶手段に記憶した指向性ビーム走査のための重み付け値に基づいて送信手段及び受信手段の指向性を決定し自局エリアを走査する指向性ビームを形成する制御を行い、端末局特定手段が端末局を特定した後は重み付け記憶手段から端末局特定手段が特定した端末局に対応した各アンテナ素子毎の重み付け値を読出して送信手段及び受信手段の指向性を制御する指向性制御手段と、端末局の未特定時に指向性制御手段により自局エリアを走査する指向性ビームを形成する制御をされた送信手段を介して自局識別信号を送信する自局識別信号送信手段と、指向性制御手段により自局エリアを走査する指向性ビームを形成する制御をされた受信手段を介して自局識別信号に応答して端末局から送信された通信要求信号を受信する通信要求受信手段と、この通信要求受信手段が受信した通信要求信号を送信した端末局を特定する端末局特定手段とを備え、端末局特定手段にて特定した端末局に対して、指向性制御手段により端末局特定手段が特定した端末局に対応した各アンテナ素子毎の重み付け値に基づいて制御した送信手段及び受信手段の指向性で無線通信を行うことにある。
【００１２】
請求項２記載の発明は、複数のアンテナ素子からの受信出力の振幅と位相に重み付け値を乗じて合成した信号を復調する受信手段及び変調した信号を複数に分配し、この分配した各信号の振幅と位相に重み付け値を乗じてそれぞれ各アンテナ素子から放射させる送信手段を備えた無線通信装置を有する基地局と、この基地局との間で無線通信し、基地局のサービスエリアに設置される複数の端末局からなる無線通信システムにおいて、各端末局は、通信要求が発生したとき、通信要求信号を送信する手段を備え、基地局は、端末局の特定時に使用する各端末局に対応して各アンテナ素子毎に設定された重み付け値を記憶するとともに、端末局の未特定時に使用する指向性ビーム走査のための重み付け値又は自局エリアで一様な全方位指向性を得るための重み付け値を記憶した重み付け値記憶手段と、端末局の未特定時に重み付け値記憶手段に記憶した指向性ビーム走査のための重み付け値又は自局エリアで一様な全方位指向性を得るための重み付け値に基づいて受信手段の指向性を決定し自局エリアを走査する指向性ビームを形成するか又は自局エリアで一様な全方位指向性にする制御を行い、端末局特定手段が端末局を特定した後は重み付け記憶手段から端末局特定手段が特定した端末局に対応した各アンテナ素子毎の重み付け値を読出して送信手段及び受信手段の指向性を制御する指向性制御手段と、指向性制御手段により自局エリアを走査する指向性ビームを形成する制御又は自局エリアで一様な全方位指向性にする制御をされた受信手段を介して端末局から送信された通信要求信号を受信する通信要求受信手段と、この通信要求受信手段が受信した通信要求信号を送信した端末局を特定する端末局特定手段とを備え、端末局特定手段にて特定した端末局に対して、指向性制御手段により端末局特定手段が特定した端末局に対応した各アンテナ素子毎の重み付け値に基づいて制御した送信手段及び受信手段の指向性で無線通信を行うことにある。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の無線通信システムにおいて、指向性制御手段が、各端末局に対応して送信手段及び受信手段の指向性を制御するのに使用する重み付け値は、各端末局毎に、端末局からの到来波の到来角と電力、不要波の到来角と電力及び受信系の熱雑音の電力の情報を基に算出した値としたことにある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、例えば、無線ＰＯＳシステムなどで使用される屋内無線通信システムの構成を示すもので、例えば、ホスト装置に接続したＬＡＮ３１に基地局３２，３３を接続している。そして、前記各基地局３２，３３の自局エリアであるサービスエリア３２ａ，３３ａ内にそれぞれ端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3、Ｎ11，Ｎ12，Ｎ13を配置している。前記端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3、Ｎ11，Ｎ12，Ｎ13は、例えば、無線ＰＯＳシステムで使用する場合は商品販売データを登録するＰＯＳ端末に接続して使用されるものである。
【００１８】
前記各基地局３２，３３は、マルチパスフェージング等の影響を受けないようにするために、各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3、Ｎ11，Ｎ12，Ｎ13との間で指向性ビーム３４，３５を使用して通信を行うようになっている。前記各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3、Ｎ11，Ｎ12，Ｎ13は、例えば、ＰＯＳ端末に接続して使用されるように、移動自在な状態で使用されるものではなく、一度設置されると比較的長期間移動しないものである。従って、指向性ビーム３４，３５は設置場所が異なる各端末局毎にそれぞれ最適な方向やビームパターンが存在している。
【００１９】
前記各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3、Ｎ11，Ｎ12，Ｎ13は、対応する基地局３２，３３に対して通信を行う場合は指向性ビームを使用しても無指向性ビームを使用してもよく、自局で通信要求が発生した時には対応する基地局から自局識別信号を受信したときその基地局へ通信要求信号を送信する手段を備えている。
【００２０】
図２は前記各基地局３２，３３の回路構成を示すブロック図で、送受信共用の複数のアンテナ素子４１からなるアレイアンテナ、各アンテナ素子４１に対応してそれぞれ設けた複数のサーキュレータ４２、このサーキュレータ４２からの受信信号をそれぞれ増幅する複数の低雑音増幅器（ＬＮＡ）４３、増幅した信号の振幅レベルを制御する複数のアッティネータ（ＡＴＴ）４４、位相を制御する複数のフェーズシフタ（ＰＳ）４５を備えている。
【００２１】
そして、前記各フェーズシフタ４５から出力される受信信号をリニアコンバイナ４６で合成した後、受信機４７に供給し、この受信機４７で復調等の通常の受信動作を行って受信データを出力し、この受信データを送受信コントロール部４８に供給している。前記送受信コントロール部４８は受信データを外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）から前記ＬＡＮ３１を介してホスト装置に送信するようになっている。
【００２２】
前記アンテナ素子４１、サーキュレータ４２、低雑音増幅器４３、アッティネータ４４、フェーズシフタ４５、リニアコンバイナ４６及び受信機４７は受信手段を構成し、前記アッティネータ４４とフェーズシフタ４５はそれぞれ独立に振幅と位相を制御でき、その制御値は重み付け値記憶手段４９からの重み付け値に基づいて設定されるようになっている。従って、前記各アンテナ素子４１からの受信信号に前記重み付け値記憶手段４９からの重み付け値による適当な重み付けを行うことでアダプティブアレイアンテナとして所望の受信指向性ビームを形成できることになる。
【００２３】
また、送信データを変調して送信信号に変換する送信機５０、この送信機５０からの送信信号をアンテナ素子４１の数分の信号に同相分配する同相分配器５１、この同相分配器５１からの信号をそれぞれ位相制御する複数のフェーズシフタ（ＰＳ）５２、それぞれ振幅制御する複数のアッティネータ（ＡＴＴ）５３、この各アッティネータ（ＡＴＴ）５３からの信号をそれぞれ電力増幅して前記各サーキュレータ４２にそれぞれ供給する電力増幅器（ＰＡ）５４を備え、前記送受信コントロール部４８からの送信データを送信機５０で変調した後、同相分配器５１で同相分配し、この同相分配した信号をフェーズシフタ５２で位相制御した後、アッティネータ５３で振幅制御し、さらに、電力増幅器５４で電力増幅してから前記サーキュレータ４２を介して複数のアンテナ素子４１から送信するようになっている。
【００２４】
前記送信機５０、同相分配器５１、フェーズシフタ５２、アッティネータ５３、電力増幅器５４、サーキュレータ４２及びアンテナ素子４１は送信手段を構成し、前記アッティネータ５３とフェーズシフタ５２はそれぞれ独立に振幅と位相を制御でき、その制御値は前記重み付け値記憶手段４９からの重み付け値に基づいて設定されるようになっている。従って、送信信号に前記重み付け値記憶手段４９からの重み付け値による適当な重み付けを行うことでアダプティブアレイアンテナとして所望の送信指向性ビームを形成できることになる。
【００２５】
前記送受信コントロール部４８には通信要求受信手段５５、端末局特定手段５６及び自局識別信号送信手段５７がぞれぞれ接続している。前記自局識別信号送信手段５７は、送信手段を介して自局識別信号を送信し、前記通信要求受信手段５５は、自局識別信号に応答して端末局から送信された通信要求信号を受信手段を介して受信し、前記端末局特定手段５６は、前記通信要求受信手段５５が受信した通信要求信号を送信した端末局を特定する。
【００２６】
前記送受信コントロール部４８は送受信走査パターン設定手段５８を制御し、この送受信走査パターン設定手段５８に前記重み付け値記憶手段４９に対する端末局の未特定時に使用する指向性ビーム走査のための重み付け値の設定を行わせるようになっている。
【００２７】
５９は指向性制御手段で、この指向性制御手段５９は、端末局が未特定のときには前記重み付け値記憶手段４９に記憶した重み付け値に基づいて送信手段及び受信手段の指向性を決定し自局エリアを走査する指向性ビームを形成する制御を行い、また、前記端末局特定手段５６が端末局を特定した後は前記重み付け記憶手段４９から前記端末局特定手段５６が特定した端末局に対応した各アンテナ素子４１毎の重み付け値を読出して送信手段及び受信手段の指向性を制御するようになっている。
【００２８】
前記指向性制御手段５９に対して、これを制御する切換えシーケンス制御手段６０を設け、前記端末特定手段５６が端末局を特定し、その特定した端末局との通信が終了すると、次の端末局と通信を行うために再度端末局が未特定であるとして前記指向性制御手段５９に重み付け値記憶手段４９に記憶した重み付け値に基づいて送信手段及び受信手段の指向性を決定し自局エリアを走査する指向性ビームを形成する制御を再度行わせ、端末局との通信が終了する毎にこれを繰返し行わせるようになっている。
【００２９】
また、このシステムでは端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3、Ｎ11，Ｎ12，Ｎ13は一度設置されると比較的長期間に亙って位置を移動することがない。従って、端末局の位置や不要波発生源の位置、すなわち、端末局からの所望波の到来角度や不要波の到来角度は予め知ることができる。また、到来波や不要波の受信レベルや各アンテナ素子４１で発生する熱雑音なども実測や計算により予め知ることができる。
【００３０】
このように、所望波や不要波の到来角や受信電力及び各アンテナ素子の熱雑音がわかると、アダプティアレイアンテナの適応処理理論やアレイアンテナの指向性合成理論に基づいて受信系や送信系の最適重み付け値を各端末局毎に計算によって求めることができる。なお、各アンテナ素子４１の素子配置や使用周波数は既知である。
【００３１】
６１は所望波／不要波情報入力部で、この所望波／不要波情報入力部６１は、前記送受信コントロール部４８及び受信機４７から各端末局からの所望波の到来角や不要波発生源からの不要波の到来角及びそれらの受信電力、さらには、送受信系の各素子毎の雑音電力などの情報を取込むと、その情報を重み付け値決定部６２に供給している。前記重み付け決定部６２は、これらの情報を取込むと、各端末局毎の送信系及び受信系の最適重み付け値を決定し、この決定した最適重み付け値を前記重み付け値記憶手段４９に記憶するようにしている。
【００３２】
図３は前記重み付け値記憶手段４９における各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3の重み付け値の設定例を示し、各端末局毎に振幅重み付け値と位相重み付け値をそれぞれ各アンテナ素子４１に対応して設定している。すなわち、端末局Ｎ1の各アンテナ素子毎の振幅重み付け値は、Ａ11，Ａ12，Ａ13，Ａ14，…となり、各アンテナ素子毎の位相重み付け値は、Ｐ11，Ｐ12，Ｐ13，Ｐ14，…となる。
【００３３】
前記送受信コントロール部４８、通信要求受信手段５５、端末局特定手段５６、自局識別信号送信手段５７、送受信走査パターン設定手段５８、指向性制御手段５９、切換えシーケンス制御手段６０、所望波／不要波情報入力部６１及び重み付け値決定部６２は、マイクロコンピュータにより構成している。
【００３４】
このシステムでは、例えば、基地局３２は通信する端末局が未特定のときには、送信系及び受信系の指向性が、図４の(a)に示すように、指向性ビームＳ1，Ｓ2，Ｓ3，…Ｓ8として自局のサービスエリア３２ａ内を順次走査するように重み付け値記憶手段４９から重み付け値を読出す。そして、指向性ビームＳ8が端末局Ｎ3の設置範囲を走査した時に端末局Ｎ3から識別信号及び通信要求信号を受信すると、その端末局Ｎ3と通信を開始するが、そのとき指向性パターンを、図４の(b)に指向性パターンＤ3として示すように端末局Ｎ3の設置方向に対して最適となり、かつ不要波が到来する方向にはヌル状態となるように最適指向性パターンにして通信を行う。なお、図中一点鎖線で示す指向性パターンＤ2は端末局Ｎ2と通信を行う時の最適パターンを示している。
【００３５】
さらに、具体的に述べると、図５に示すように、基地局３２は前記自局識別信号送信手段５７が送信制御する自局識別信号を付してサービスエリア３２ａ内を指向性ビームＳ1，Ｓ2，Ｓ3，…Ｓ8で順次走査する。この走査において、指向性ビームＳ１により端末局Ｎ1は基地局３２の自局識別信号を受信するが通信要求が発生していないのでそのままパスする。また、指向性ビームＳ４により端末局Ｎ2は基地局３２の自局識別信号を受信するが通信要求が発生していないのでそのままパスする。
【００３６】
そして、指向性ビームＳ8が走査され、端末局Ｎ3が基地局３２からの自局識別信号を受信すると、自局では通信要求が発生しているので、基地局３２に対して自局の識別信号とともに通信要求信号を送信する。基地局３２は端末局Ｎ3からの識別信号及び通信要求信号を受信すると、通信要求受信手段５５が端末局Ｎ3から通信要求があることを確認し、端末局特定手段５６が通信相手として端末局Ｎ3を特定する。
【００３７】
これにより、指向性制御手段５９は重み付け値記憶手段４９に記憶してある端末局Ｎ3に対応した各アンテナ素子４１に対する重み付け値を読出し、振幅重み付け値は受信手段のアッティネータ４４及び送信手段のアッティネータ５３に供給すると共に位相重み付け値は受信手段のフェーズシフタ４５及び送信手段のフェーズシフタ５２に供給する。
【００３８】
こうして、基地局３２は端末局Ｎ3に対して送受信系の指向性を図４の(b)に示す指向性パターンＤ3に形成して通信を開始する。これにより、基地局３２と端末局Ｎ3とはデータの送受信を行うことになる。そして、この通信が終了すると、切換えシーケンス制御手段６０が指向性制御手段５９を制御し、重み付け値記憶手段４９から端末局未特定のときの重み付け値を読出し、振幅重み付け値は受信手段のアッティネータ４４及び送信手段のアッティネータ５３に供給すると共に位相重み付け値は受信手段のフェーズシフタ４５及び送信手段のフェーズシフタ５２に供給する。
【００３９】
こうして、基地局３２は再び図４の(a)に示すように自局識別信号を付してサービスエリア３２ａ内を指向性ビームＳ1，Ｓ2，Ｓ3，…Ｓ8で順次走査するようになる。このように、基地局３２と特定された端末局との通信が終了する毎に切換えシーケンス制御手段６０が指向性制御手段５９を制御し指向性ビームＳ1〜Ｓ8で自局エリアを走査する制御が繰返される。
なお、この基地局３２の制御は基地局３３においても自局エリアであるサービスエリア３３ａの端末局Ｎ11，Ｎ12，Ｎ13に対して同様に行われる。
【００４０】
本システムでは、基地局３２，３３の重み付け値決定部６２において、事前に各端末局に対する最適な送受信重み付け値を計算して重み付け値記憶手段４９に記憶しておき、通信時に各端末局毎に該当する重み付け値を記憶手段４９から読出して各アンテナ素子４１毎にセットし、最適なビームを使用して信頼性の高い通信を行っている。
【００４１】
本システムのように、各端末局の位置や不要波発生源の位置が決まっているものでは、端末局からの所望波や不要波発生源からの不要波の到来角を事前に知ることができる。なお、不要波信号としては、予め参照信号が送られないもの、例えば、電子レンジの放射ノイズなどもある。
【００４２】
また、送受信系の各素子の熱雑音や所望波及び不要波の電力は事前に測定したり、位置関係から見積もることができる。なお、入力信号に基づいて所望波や不要波の到来方向を推定するためには、実際にビームを走査して到来波方向を探すビームフォーマー法や入力信号の相関行列の固有値展開に基づくＭＵＳＩＣアルゴリズムなどの適用ができる。また、各アンテナ素子４１の配列や間隔、使用周波数に関する情報も事前に知ることができる。
【００４３】
このような情報を事前に知ることができると、受信系ではアレイアンテナの適応処理理論に基づいて最適なアンテナの重み付け値を求めることができ、また、送信系ではアレイアンテナの指向性合成理論に基づいて最適なアンテナの重み付け値を求めることができる。
【００４４】
図６は本装置で適用するアレイアンテナの適応処理理論に基づく受信系の最適な重み付け値を求めるアルゴリズムの一例を示し、ＭＳＮ（maximum signal to noise ratio:最大ＳＮＲ法）アルゴリズムと呼ばれ、重み付け値決定部６２はこの最大ＳＮＲ法に基づく適応処理により受信系の重み付け値を決定する。
【００４５】
この適応処理は、先ず、ステップＳ１にて、不要波の到来角θi，所望波の到来角θsの入力及び所望波の入力電力Ｐs、不要波の入力電力Ｐi、受信系の各素子の熱雑音電力の合計Ｐnの入力を行い、下記(1)式に基づいて入力信号ベクトルＸ(t)を作成する。
【００４６】
Ｘ(t)＝Ｓ(t)＋Ｉ(t)＋Ｎ(t) …(1)
但し、Ｓ(t)は所望波、Ｉ(t)は不要波、Ｎ(t)は雑音電力を表わしている。
続いて、ステップＳ２にて、ステアリングベクトル／Ｓの計算を行う。これは、下記(2)式に基づいて行う。なお、アンテナ素子間隔ｄや波長λは既知である。
【００４７】
【数１】

【００４８】
続いて、ステップＳ３にて、下記(3)式に基づいて相関行列Ｒxxの計算を行う。
Ｒxx＝Ｅ［Ｘ(t)Ｘ(t)^Ｈ］ …(3)
なお、Ｅ［・］は期待値（アンサンブル平均：時間平均）を表わしている。
続いて、ステップＳ４にて、相関行列Ｒxxの逆行列Ｒxx^−１の計算を行う。
続いて、ステップＳ５にて、最適ウェイト値：Ｗ（ＯＰＴ）ベクトルの計算を下記(4)式に基づいて行う。すなわち、最適重み付けベクトルを相関行列の逆行列Ｒxx^−１とステアリングベクトル／Ｓの積で求める。
【００４９】
【数２】

【００５０】
続いて、ステップＳ６にて、各複素ウェイトＷ（ＯＰＴ）を下記(5)式に基づいて位相／振幅ウェイトに変換する。
【００５１】
【数３】

【００５２】
そして、最後に、ステップＳ７にて、重み付け値の位相／振幅値を重み付け値記憶手段４９のテーブルに記憶する。
なお、受信系の最適な重み付け値を求めるアルゴリズムはこの他にもＭＭＳＥ（最小二乗誤差法）やＣＭＡ（定包絡線信号用アルゴリズム）など種々あるが、それぞれにおいて事前に知っておく情報は異なる。
【００５３】
図７は、送信系指向性合成例を示している。アレイアンテナの指向性合成理論には幾つかあるが、リニアアレイアンテナの合成指向性を表わす基本式は下記(6)式で示される。
【００５４】
【数４】

【００５５】
この(6)式は、指向性をθ0方向（θ0：所望の方向）に向ける場合の式である。また、Ａnがｎ番目の素子への振幅重み付け値（重み付け係数）を表わしている。図７はアンテナエレメントがｄの間隔でＮ素子並んでいて、(6)式を使ってθ0方向に指向性を合成した例である。この図は、基地局の送信系で重み付け値を調整して角度θ0の方向に送信ビームを合成するときの最も簡単な例を示す。図中の黒丸０〜Ｎ−１がアレイアンテナの各素子を示している。所望方向θ0にビームの指向性を合成するためには、ｎ番目の素子の励振位相をｎ・ｋ・ｄ・ｃｏｓθ0とすればよい。すなわち、所望方向に対して、各アンテナ素子４１の位相が揃うようにする。また、Ａnの値は数学的手法を用いて決めることができ、この方法でサイドローブを低く抑えたものに、Dolph-ChebyshevアレイアンテナやTalor分布アレイアンテナなどがある。
【００５６】
このように、送信系においても、位相、振幅の重み付け値を調整することで所望の指向性を得ることができるが、送信指向性合成方法はこれ以外にも種々ある。
また、各端末局毎の最適指向性ビームを事前に求めて繰返し使用するため、この方法は通信環境や電波伝播環境、あるいは端末局の位置などに大きな変化が無い場合に有効である。しかし、実際には、人の増減や什器の位置の移動が起こるため、通信環境や電波伝播環境の変化はある。従って、所望波や不要波に関する情報を適宜学習し直す必要が生じる。
【００５７】
図８は基地局３２，３３が受信指向性ビームを走査し、所望波や不要波の到来角や受信レベル等を測定して重み付け値を事前に調整する学習処理の流れ図を示している。この学習処理は、先ず、ステップＳ１１にて、端末局の連続送信を行う。これは、所望波の到来方向を測定したい端末局を連続送信状態にする。そして、ステップＳ１２にて、基地局の受信指向性ビームを走査し、ステップＳ１３にて、端末局からの最大受信出力方向やその時の受信レベルを測定する。この測定が終了すると、ステップＳ１４にて、相手端末局を切換え、ステップＳ１２から同様の処理を繰返す。
【００５８】
そして、すべての端末局に対して測定が終了すると、今度は不要波の測定を行う。そして、不要波の測定が終了すると、ステップＳ１５にて、適応アルゴリズムの計算や指向性合成の処理を行い、ステップＳ１６にて、得られた結果を重み付け値記憶手段４９のテーブルに書込む。
【００５９】
このような構成であれば、基地局３２，３３は各端末局に対して通信を行う時の各アンテナ素子４１に対する重み付け値を事前に求めて重み付け記憶手段４９に記憶しておく。最初は通信相手の端末局が特定されていないので、この時には自局エリア内を所定の重み付け値で形成した指向性ビームで走査し、端末局からの通信要求信号の受信に待機する。そして、端末局からの通信要求信号を受信すると、その端末局を特定し、該当する重み付け値を重み付け値記憶手段４９から読出して受信系及び送信系の重み付けを行い、該当する端末局に合わせた送受信系の指向性パターンを形成し、その指向性パターンに応じて該当する端末局との間でデータの送受信を行う。
【００６０】
該当する端末局との間でのデータの送受信が終了すると、基地局３２，３３は切換えシーケンス制御手段６０による切換えシーケンスに従って再び自局エリア内を所定の重み付け値で形成した指向性ビームで走査し、端末局からの通信要求信号の受信に待機するようになる。
【００６１】
このように、本システムでは、各端末局に予めタイムスロットを割り振らずに、通信要求のある端末局を的確に認識してその端末局に対する指向性を予め設定した重み付け値により決定して制御し通信を行うことで、通信要求のある端末局とで効率よく通信ができ、また、通信要求の無い端末局に対しては指向性ビームを走査するのみなので無駄時間を発生することはない。
【００６２】
従って、例えば、無線ＰＯＳに適用した場合には、通信要求のあるＰＯＳ端末に対しては通信に十分な時間をとって確実なデータ通信を行い、通信要求のないＰＯＳ端末に対しては無駄時間を与えないので、システム効率を向上できる。
【００６３】
しかも、送受信の指向性形成に使用する重み付け値は予め重み付け値記憶手段４９に記憶しておき、端末局と通信を行う時には該当する端末局の振幅と位相の重み付け値を読出してアッティネータ及びフェーズシフタを制御して各アンテナ素子４１毎の重み付けを行って指向性パターンを形成すればよく構成はきわめて簡単である。
【００６４】
なお、この実施の形態では重み付け値を事前に調整する処理として、所望波や不要波の到来角や受信レベル等を実際に測定して学習する場合を例として述べたが、重み付け値を事前に調整する処理としてはこれ以外の処理もある。
例えば、図９に示す到来波の推定処理によって到来波の到来角や電力を得ることでも重み付け値を事前に調整することができる。この推定処理は、ＭＵＳＩＣアルゴリズムと呼ばれている。
【００６５】
先ず、ステップＳ２１にて、受信系の各素子入力の複数個のサンプル値を用いて相関行列を下記(7)式に従って計算する。
Ｒ_ｘｘ＝Ｅ［Ｘ(t)・Ｘ^Ｈ(t)］ (7)
続いて、ステップＳ２２にて、下記(8)、(9)式に従って相関行列の固有値を求める。λ1＞λ2＞・・・＞λL＞λL+1＝・・・λK＝σ^２（なお、σ^２は内部雑音電力である。）
Ｒ_ｘｘｅ＝λｅ (8)
σ^２＝Ｅ［Ｎ^Ｈ(t)・Ｎ(t)］／ｋ (9)
続いて、ステップＳ２３にて、σ^２より大きい固有値の数から到来波方向を推定する。
続いて、ステップＳ２４にて、下記(10)式に示すＭＵＳＩＣスペクトラムＰmu(θ)を使ってＬ個のピーク値とその時の角度｛θ1・・・・θL｝を探す。
【００６６】
【数５】

【００６７】
そして、最後に、ステップＳ２５にて、各到来波の電力Ｓを下記(11)式に基づいて推定する。
Ｓ＝(Ａ^ＨＡ)^−１Ａ^Ｈ(Ｒ_ｘｘ−σ^２ｕ)Ａ(Ａ^ＨＡ)^−１ (11)
これにより、Ｓの第ｉ対角成分が第ｉ到来波の受信電力となる。
このような推定処理によっても到来波や不要波の情報を得ることができる。但し、アレイアンテナの素子数は（Ｌ＋１）個以上必要となる。
なお、これ以外の到来波推定法も適用は可能である。
【００６８】
（第２の実施の形態）
なお、前述した第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付し異なる部分について説明する。
この実施の形態の基地局３２，３３は、図１０に示すように、自局識別信号送信手段５７を省略し、また、指向性制御手段５９は、通信する端末局が未特定のときには重み付け値記憶手段４９を制御して受信系の指向性パターンを図１１の(a)に示すように指向性ビームＳ1〜Ｓ8として順次走査するパターン、あるいは全方位指向性のパターンＤＦに設定する。なお、ここでは基地局３２が受信系の指向性を全方位指向性パターンＤＦに設定する場合を例として述べる。
【００６９】
基地局３２が受信系の指向性を全方位指向性パターンＤＦに設定している状態で、サービスエリア３２ａ内の端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3のうち、例えば、端末局Ｎ3において通信要求が発生すると、端末局Ｎ3は自局の識別信号と共に通信要求信号を基地局３２に送信する。基地局３２は端末局Ｎ3から識別信号及び通信要求信号を受信すると、その端末局Ｎ3と通信を開始するが、そのとき送受信系の指向性パターンを、図１１の(b)に指向性パターンＤ3として示すように端末局Ｎ3の設置方向に対して最適となり、かつ不要波が到来する方向にはヌル状態となるような最適指向性パターンにして通信を行う。
【００７０】
さらに、具体的に述べると、図１２に示すように、基地局３２は端末局が未特定のときにはサービスエリア３２ａに対して受信系の指向性を全方位指向性パターンＤＦに設定して端末局からの通信要求に待機する。この状態で端末局Ｎ3で通信要求が発生すると、端末局Ｎ3は基地局３２に対して自局の識別信号と共に通信要求信号を送信する。基地局３２は端末局Ｎ3からの識別信号及び通信要求信号を受信すると、通信要求受信手段５５が端末局Ｎ3から通信要求があることを確認し、端末局特定手段５６が通信相手として端末局Ｎ3を特定する。
【００７１】
これにより、指向性制御手段５９は重み付け値記憶手段４９に記憶してある端末局Ｎ3に対応した各アンテナ素子４１に対する重み付け値を読出し、振幅重み付け値は受信手段のアッティネータ４４及び送信手段のアッティネータ５３に供給すると共に位相重み付け値は受信手段のフェーズシフタ４５及び送信手段のフェーズシフタ５２に供給する。
【００７２】
こうして、基地局３２は端末局Ｎ3に対して送受信系の指向性を図１１の(b)に示す指向性パターンＤ3に形成して通信を開始する。これにより、基地局３２と端末局Ｎ3とはデータの送受信を行うことになる。そして、この通信が終了すると、切換えシーケンス制御手段６０が指向性制御手段５９を制御し、重み付け値記憶手段４９から端末局が未特定のときの重み付け値を読出し、振幅重み付け値を受信手段のアッティネータ４４及び送信手段のアッティネータ５３に供給すると共に位相重み付け値を受信手段のフェーズシフタ４５及び送信手段のフェーズシフタ５２に供給する。こうして、基地局３２は再び図１１の(a)に示すようにサービスエリア３２ａに対して受信系を全方位指向性パターンＤＦに設定して各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3からの通信要求に待機することになる。
【００７３】
なお、ここでは端末局が未特定のときに基地局３２の受信系を全方位指向性パターンＤＦに設定する場合を例として述べたが、受信系の指向性を第１の実施の形態と同様の指向性ビームＳ1〜Ｓ8でサービスエリア３２ａ内を順次走査しても通信要求のある端末局からの識別信号及び通信要求信号を受信することができる。
【００７４】
このようにこの実施の形態においても、各端末局に予めタイムスロットを割り振らずに、通信要求のある端末局を的確に認識してその端末局に対する指向性を予め設定した重み付け値により決定して制御し通信を行うことで、通信要求のある端末局とで効率よく通信ができ、また、通信要求の無い端末局に対しては無駄時間を発生することはなく、しかも、構成はきわめて簡単であり、前述した第１の実施の形態と同様の効果を奏するものである。
【００７５】
（第３の実施の形態）
なお、前述した第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付し異なる部分について説明する。
この実施の形態の基地局３２，３３は、図１３に示すように、自局識別信号送信手段５７を省略し、代わって、各端末局へのポーリングの順番を設定した端末局順番設定手段６３及びこの端末局順番設定手段６３により設定した順番に基づいて送信手段に各端末局へのポーリングによる問合わせを行わせる問合わせ信号送信手段６４を設けている。前記端末局順番設定手段６３及び問合わせ信号送信手段６４はマイクロコンピュータによって構成している。
【００７６】
この実施の形態では、例えば、基地局３２は、各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3に対して繰返しポーリングを行うが、各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3に対するポーリングは端末局順番設定手段６３により設定した順番に基づいて行われる。そして、基地局では、各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3に対するポーリングの順番に応じて、各端末局に対応して予め設定された送信系及び受信系の重み付け値を重み付け値記憶手段４９から順番に読み出して送信系及び受信系の指向性を設定する。
【００７７】
例えば、図１４に示すように、基地局３２は各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3に対してこの順序でポーリングを行い、各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3に対するポーリング時にそれぞれ指向性パターンＤ1，Ｄ2，Ｄ3を形成する。そして、各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3に対してポーリングによる問合わせを行い、各端末局Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3はこれを受信する。そして、例えば、端末局Ｎ2にて通信要求が発生すると、端末局Ｎ2は基地局３２が自己に対してポーリングによる問合わせを行った時に基地局３２に対して識別信号とともに通信要求信号を送信する。
【００７８】
基地局３２は、端末局Ｎ2から通信要求信号を受信すると通信要求受信手段５５がそれを確認し、端末局特定手段５６が端末局Ｎ2を特定する。そして、基地局３２は端末局Ｎ2とデータの送受信を行う。なお、各端末局に対するポーリングの問合わせは順番に特定されているため、端末局Ｎ2への問合わせに対して、通信要求受信手段５５で通信要求信号が確認されれば、端末局Ｎ2とデータの送受信を行なってもよい。
【００７９】
端末局Ｎ2との通信が終了すると、切換えシーケンス制御手段６０が指向性制御手段５９を制御し、次の端末局Ｎ3に対してその端末局に対応した送信系及び受信系の重み付け値により送信手段及び受信手段の指向性を設定してポーリングによる問合わせを行うことになる。
【００８０】
このように、各端末局に対する送受信系の指向性を重み付け値記憶手段４９に記憶されている重み付け値を使用して設定しつつ各端末局に対してポーリングによる問合わせを行い、端末局からの通信要求があればすでに設定されている指向性のもとでその端末局とデータ通信を行う。従って、この実施の形態においても、各端末局に予めタイムスロットを割り振らずに、通信要求のある端末局を的確に認識してその端末局に対する指向性を予め設定した重み付け値により決定して制御し通信を行うことで、通信要求のある端末局とで効率よく通信ができ、また、通信要求の無い端末局に対しては無駄時間を発生することはなく、しかも、構成はきわめて簡単であり、前述した第１の実施の形態と同様の効果を奏するものである。
【００８１】
なお、前述した各実施の形態は本発明を無線ＰＯＳなどで使用される屋内無線通信システムに適用したものについて述べたが必ずしもこれに限定するものでないのは勿論である。
【００８２】
【発明の効果】
各請求項記載の発明によれば、各端末局に予めタイムスロットを割り振らずに、通信要求した端末局を的確に認識してその端末局に対する指向性を予め設定した重み付け値により決定して制御し通信を行うことで、通信要求のあった端末局とで効率よく通信ができ、また、通信要求の無い端末局に対して無駄時間を発生せず、しかも、重み付け値を予め記憶しておき、それを読出して使用するので構成はきわめて簡単である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すもので、屋内無線通信システムの構成を示す図。
【図２】同実施の形態における基地局の回路構成を示すブロック図。
【図３】図２における重み付け値記憶手段の重み付け値の設定例を示す図。
【図４】同実施の形態における基地局の端末局未特定時の指向性パターンと端末局特定時の指向性パターンを示す図。
【図５】同実施の形態における動作を説明するための図。
【図６】同実施の形態で使用する受信系の重み付け値決定のための適応処理を示す流れ図。
【図７】同実施の形態における基地局の送信系で重み付け値を調整して角度θ0の方向に送信ビームを合成するときの最も簡単な例を示す図。
【図８】同実施の形態における基地局が所望波や不要波の到来角や受信レベル等を測定して重み付け値を事前に調整する学習処理を示す流れ図。
【図９】同実施の形態で適用する基地局が重み付け値を事前に調整するための他の処理例を示す流れ図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態を示すもので、基地局の回路構成を示すブロック図。
【図１１】同実施の形態における基地局の端末局未特定時の指向性パターンと端末局特定時の指向性パターンを示す図。
【図１２】同実施の形態における動作を説明するための図。
【図１３】本発明の第３の実施の形態を示すもので、基地局の回路構成を示すブロック図。
【図１４】同実施の形態における動作を説明するための図。
【図１５】従来例を示すブロック図。
【図１６】他の従来例を示すブロック図。
【符号の説明】
３２，３３…基地局
Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3，Ｎ11，Ｎ12，Ｎ13…端末局
４１…アダプティブアレイアンテナのアンテナ素子
４４，５３…アッティネータ
４５，５２…フェーズシフタ
４７…受信機
４９…重み付け値記憶手段
５０…送信機
５５…通信要求受信手段
５６…端末局特定手段
５７…自局識別信号送信手段
５９…指向性制御手段

Claims

複数のアンテナ素子からの受信出力の振幅と位相に重み付け値を乗じて合成した信号を復調する受信手段及び変調した信号を複数に分配し、この分配した各信号の振幅と位相に重み付け値を乗じてそれぞれ前記各アンテナ素子から放射させる送信手段を備えた無線通信装置を有する基地局と、この基地局との間で無線通信し、前記基地局のサービスエリアに設置される複数の端末局からなる無線通信システムにおいて、
前記各端末局は、通信要求が発生したとき、前記基地局からの自局識別信号に応答して通信要求信号を送信する手段を備え、
前記基地局は、端末局の特定時に使用する前記各端末局に対応して各アンテナ素子毎に設定された重み付け値を記憶するとともに端末局の未特定時に使用する指向性ビーム走査のための重み付け値を記憶した重み付け値記憶手段と、端末局の未特定時に前記重み付け値記憶手段に記憶した指向性ビーム走査のための重み付け値に基づいて前記送信手段及び受信手段の指向性を決定し自局エリアを走査する指向性ビームを形成する制御を行い、前記端末局特定手段が端末局を特定した後は前記重み付け記憶手段から前記端末局特定手段が特定した端末局に対応した各アンテナ素子毎の重み付け値を読出して前記送信手段及び受信手段の指向性を制御する指向性制御手段と、端末局の未特定時に前記指向性制御手段により自局エリアを走査する指向性ビームを形成する制御をされた前記送信手段を介して自局識別信号を送信する自局識別信号送信手段と、前記指向性制御手段により自局エリアを走査する指向性ビームを形成する制御をされた前記受信手段を介して自局識別信号に応答して端末局から送信された通信要求信号を受信する通信要求受信手段と、この通信要求受信手段が受信した通信要求信号を送信した端末局を特定する端末局特定手段とを備え、
前記端末局特定手段にて特定した端末局に対して、前記指向性制御手段により前記端末局特定手段が特定した端末局に対応した各アンテナ素子毎の重み付け値に基づいて制御した前記送信手段及び受信手段の指向性で無線通信を行うことを特徴とする無線通信システム。
複数のアンテナ素子からの受信出力の振幅と位相に重み付け値を乗じて合成した信号を復調する受信手段及び変調した信号を複数に分配し、この分配した各信号の振幅と位相に重み付け値を乗じてそれぞれ前記各アンテナ素子から放射させる送信手段を備えた無線通信装置を有する基地局と、この基地局との間で無線通信し、前記基地局のサービスエリアに設置される複数の端末局からなる無線通信システムにおいて、
前記各端末局は、通信要求が発生したとき、通信要求信号を送信する手段を備え、
前記基地局は、端末局の特定時に使用する前記各端末局に対応して各アンテナ素子毎に設定された重み付け値を記憶するとともに、端末局の未特定時に使用する指向性ビーム走査のための重み付け値又は自局エリアで一様な全方位指向性を得るための重み付け値を記憶した重み付け値記憶手段と、端末局の未特定時に前記重み付け値記憶手段に記憶した指向性ビーム走査のための重み付け値又は自局エリアで一様な全方位指向性を得るための重み付け値に基づいて前記受信手段の指向性を決定し自局エリアを走査する指向性ビームを形成するか又は自局エリアで一様な全方位指向性にする制御を行い、前記端末局特定手段が端末局を特定した後は前記重み付け記憶手段から前記端末局特定手段が特定した端末局に対応した各アンテナ素子毎の重み付け値を読出して前記送信手段及び受信手段の指向性を制御する指向性制御手段と、前記指向性制御手段により自局エリアを走査する指向性ビームを形成する制御又は自局エリアで一様な全方位指向性にする制御をされた前記受信手段を介して端末局から送信された通信要求信号を受信する通信要求受信手段と、この通信要求受信手段が受信した通信要求信号を送信した端末局を特定する端末局特定手段とを備え、
前記端末局特定手段にて特定した端末局に対して、前記指向性制御手段により前記端末局特定手段が特定した端末局に対応した各アンテナ素子毎の重み付け値に基づいて制御した前記送信手段及び受信手段の指向性で無線通信を行うことを特徴とする無線通信システム。
指向性制御手段が、各端末局に対応して送信手段及び受信手段の指向性を制御するのに使用する重み付け値は、前記各端末局毎に、端末局からの到来波の到来角と電力、不要波の到来角と電力及び受信系の熱雑音の電力の情報を基に算出した値であることを特徴とする請求項１又は２記載の無線通信システム。