JP2018133629A - 電力増幅装置および電力増幅制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】衛星通信システムの基地局の増幅手段の冗長構成において、通常時と電力増大時の双方に対して消費電力を増大させることなく対応する。
【解決手段】入力信号を第１または第２の増幅手段に入力する経路を切り替える第１の経路切替モードと、入力信号を第１および第２の増幅手段に等分配して入力する経路を形成する分配モードとのモード切り替えが可能な経路切替分配手段と、第１または第２の増幅手段の出力信号を出力する経路を切り替える第２の経路切替モードと、第１および第２の増幅手段の各出力信号を合成した信号を出力する経路を形成する合成モードとのモード切り替えが可能な経路切替合成手段と、経路切替分配手段および経路切替合成手段のそれぞれに、第１および第２の経路切替モードを同時に設定するか、または分配モードと合成モードを同時に設定する制御を行う制御手段とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、衛星通信システムの基地局における電力増幅装置および電力増幅制御方法に関する。

衛星通信は広範なサービスエリアと災害に強い特徴を有しているため、地上回線の使用困難な洋上やデジタルディバイド地域、災害時の通信環境構築に広く利用されている。しかしながら、36,000ｋｍ上空の静止衛星を中継して通信するため、伝搬損失が非常に大きく地球局の性能の向上が求められる。特に、点在する各ユーザ端末からのデータを集約する基地局においては、扱う通信容量が大きく、大きな送信電力が必要となると共に、信頼性の確保や故障時の対応が求められる。

図８は、衛星通信システムの構成例を示す（非特許文献１）。
図８において、衛星通信システムは、静止衛星ＳＡＴを介してユーザ端末ＵＴと基地局ＢＳが通信する構成である。ここでは、ユーザ端末を２つのグループＡ，Ｂに分け、グループＡのユーザ端末ＵＴ−Ａ１〜ＵＴ−ＡｎおよびグループＢのユーザ端末ＵＴ−Ｂ１〜ＵＴ−Ｂｍとし、各グループのユーザ端末を収容する基地局ＢＳ−Ａ，ＢＳ−Ｂを分散配置する。基地局ＢＳ−Ａ，ＢＳ−ＢはネットワークＮＷを介して接続される。このようなグループ分けおよび基地局の分散配置により、基地局の被災や故障時による回線断の影響を小さくすることができる。さらに、一方の基地局が故障またはメンテナンスにより使用できない状態になった場合に、他方の基地局が両グループの回線を同時に収容可能な性能を有することにより、信頼性を向上させることができる。

図９は、衛星通信システムの基地局ＢＳの構成例を示す。
図９において、基地局ＢＳは、アンテナ５１、増幅手段５２、周波数変換手段５３、変復調手段５４を備え、伝送装置５５を介してネットワークＮＷに接続される。複数のユーザ端末を収容する基地局ＢＳは、ユーザ端末に比較して大きな出力と信頼性が求められる。例えば、図１０(1) に示すように２つの増幅手段（＃１）５２−１と増幅手段（＃２）５２−２による冗長構成をとり、切替手段５６，５７を用いて一方の増幅手段（＃１）５２−１が故障したときに、他方の増幅手段（＃２）５２−２に切り替えることにより、信頼性向上が図られる。

山本他，ワイドスターII衛星移動通信システム・サービスの概要，NTT DOCOMOテクニカルジャーナル，Vol.18，No.2 pp.37-42

図９に示す基地局ＢＳを構成する機器の中で、増幅手段５２はコストおよび消費電力がともに大きいが、その高出力化に伴ってコストおよび消費電力もさらに大きくなる。

図８に示す衛星通信システムにおいて、２つの基地局ＢＳ−Ａ，ＢＳ−Ｂがそれぞれ冗長構成の増幅手段を切り替える通常時には、図１０(1) に示すように、各基地局ＢＳの増幅手段は入力Ｐinに対して出力Ｐout となる。

ここで、２つの基地局ＢＳ−Ａ，ＢＳ−Ｂが同数のユーザ端末を収容している場合に、一方の基地局が故障またはメンテナンスによりその回線を他方の基地局で収容し、当該基地局の入力信号電力が２倍になる電力増大時には、図１０(2) に示すように、当該基地局の増幅手段は入力２Ｐinに対して出力２Ｐout とする必要がある。すなわち、通常時に比べて増幅手段の利得が変わらないようにするには、２倍の入出力電力に対応する増幅能力が必要となる。このとき、増幅手段が進行波管増幅器のようにアクティブスタンバイを要する場合に、予備系の増幅手段の消費電力も増大することになる。

本発明は、衛星通信システムの基地局の増幅手段の冗長構成において、通常時と電力増大時の双方に対して消費電力を増大させることなく対応することができる電力増幅装置および電力増幅制御方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、第１の増幅手段および第２の増幅手段を備え、その一方または両方を用いて入力信号を増幅して出力する電力増幅装置において、入力信号を第１の増幅手段に入力する経路または第２の増幅手段に入力する経路を切り替える第１の経路切替モードと、入力信号を第１の増幅手段および第２の増幅手段に等分配して入力する経路を形成する分配モードとのモード切り替えが可能な経路切替分配手段と、第１の増幅手段の出力信号を出力する経路または第２の増幅手段の出力信号を出力する経路を切り替える第２の経路切替モードと、第１の増幅手段および第２の増幅手段の各出力信号を合成した信号を出力する経路を形成する合成モードとのモード切り替えが可能な経路切替合成手段と、経路切替分配手段および経路切替合成手段のそれぞれに、第１の経路切替モードと第２の経路切替モードを同時に設定するか、または分配モードと合成モードを同時に設定する制御を行う制御手段とを備える。

第１の発明の電力増幅装置において、経路切替分配手段は、２つの入力端子と２つの出力端子との間の接続を切り替え可能な経路切替手段と、１つの入力端子に入力する信号を２つの出力端子に等分配して出力する分配手段とを備え、少なくとも２つの該経路切替手段と該分配手段とを組合せ、入力信号を第１の増幅手段または第２の増幅手段のいずれかまたは両方に出力する経路を形成する構成としてもよい。

第１の発明の電力増幅装置において、経路切替合成手段は、２つの入力端子と２つの出力端子との間の接続を切り替え可能な経路切替手段と、２つの入力端子に入力する信号を１つの出力端子に合成して出力する合成手段とを備え、少なくとも２つの該経路切替手段と該合成手段とを組合せ、第１の増幅手段または第２の増幅手段のいずれかの出力信号または各出力信号を合成した信号を出力する経路を形成する構成としてもよい。

第１の発明の電力増幅装置において、制御手段は、入力信号の信号電力が第１の増幅手段および第２の増幅手段で線形増幅可能な許容入力レベルの上限値以下であるときに、経路切替分配手段および経路切替合成手段のそれぞれに第１の経路切替モードと第２の経路切替モードを同時に設定し、入力信号の信号電力が該許容入力レベルの上限値を超えかつ該許容入力レベルの上限値の２倍以下であるときに、経路切替分配手段および経路切替合成手段のそれぞれに分配モードと合成モードを同時に設定する制御を行う。

第２の発明は、第１の増幅手段および第２の増幅手段を備え、その一方または両方を用いて入力信号を増幅して出力する電力増幅制御方法において、入力信号を第１の増幅手段に入力する経路または第２の増幅手段に入力する経路を切り替える第１の経路切替モードと、第１の増幅手段の出力信号を出力する経路または第２の増幅手段の出力信号を出力する経路を切り替える第２の経路切替モードとを同時に設定する第１のステップを有し、入力信号を第１の増幅手段および第２の増幅手段に等分配して入力する経路を形成する分配モードと、第１の増幅手段および第２の増幅手段の各出力信号を合成した信号を出力する経路を形成する合成モードとを同時に設定する第２のステップを有し、第１のステップにより第１の増幅手段または第２の増幅手段の一方を用いて入力信号の増幅を行うか、または第２のステップにより第１の増幅手段および第２の増幅手段の両方を用いて入力信号の増幅を行う。

第２の発明の電力増幅制御方法において、入力信号の信号電力が第１の増幅手段および第２の増幅手段で線形増幅可能な許容入力レベルの上限値以下であり、第１の増幅手段または第２の増幅手段の一方で入力信号の増幅を行う場合に第１のステップを選択し、入力信号の信号電力が許容入力レベルの上限値を超えかつ許容入力レベルの上限値の２倍以下であり、第１の増幅手段および第２の増幅手段の両方で入力信号の増幅を行う場合に第２のステップを選択する。

本発明は、２つの増幅手段の一方を選択して信号増幅に用いる経路切替モードと、２つの増幅手段の両方を信号増幅に用いる分配・合成モードの切り替えが可能となる。これにより、２つの基地局の回線を１つの基地局に収容するために入力信号電力が例えば２倍になる電力増大時でも、入力信号を２つの増幅手段に分割して増幅可能となるので、基地局の消費電力を大きくすることなく２倍の回線収容が可能となる。

本発明の基地局増幅装置の構成例を示す図である。 本発明の基地局増幅装置の制御例を示す図である。 経路切替分配手段１１および経路切替合成手段１３の構成例１を示す図である。 経路切替器の構成例を示す。 経路切替分配手段１１および経路切替合成手段１３の構成例２を示す図である。 経路切替分配手段１１および経路切替合成手段１３の構成例１の変形を示す図である。 経路切替分配手段１１および経路切替合成手段１３の構成例２の変形を示す図である。 衛星通信システムの構成例を示す図である。 衛星通信システムの基地局ＢＳの構成例を示す図である。 増幅手段の冗長構成例を示す図である。

図１は、本発明の基地局増幅装置の構成例を示す。
図１において、基地局増幅装置は、経路切替分配手段１１、増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段（＃２）１２−２、経路切替合成手段１３、故障検出手段１４、動作モード制御手段１５により構成される。

経路切替分配手段１１は、入力信号を２つの増幅手段の一方に出力する経路切替モードと、入力信号を２つの増幅手段に等振幅かつ等位相で出力する分配モードを切り替える構成である。経路切替合成手段１３は、２つの増幅手段の出力信号の一方を出力する経路切替モードと、２つの増幅手段の出力信号を損失なく合成して出力する合成モードを切り替える構成である。故障検出手段１４は、２つの増幅手段の正常性を検出し、その結果を動作モード制御手段１５に通知する。動作モード制御手段１５は、基地局の通常時または電力増大時の運用状態と故障検出手段１４の検出結果に応じて、経路切替分配手段１１と経路切替合成手段１３の動作モードを制御する。

図２は、本発明の基地局増幅装置の制御例を示す。
図２(1) は、２つの基地局ＢＳ−Ａ，ＢＳ−Ｂがそれぞれ冗長構成の増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段（＃２）１２−２を切り替える通常時に対応する。このとき、各増幅手段で線形増幅可能な許容入力レベルの上限値をＰinとする。動作モード制御手段１５は、ここでは増幅手段（＃１）１２−１を選択するように、経路切替分配手段１１と経路切替合成手段１３に対して経路切替モードを設定する。また、増幅手段（＃１）１２−１が故障した場合には、故障検出手段１４の検出結果に応じて、予備系の増幅手段（＃２）１２−２に切り替える制御が行われる。これにより、各基地局ＢＳ−Ａ，ＢＳ−Ｂが個々に動作するときに、各増幅手段の許容入力レベルの上限値Ｐinの入力信号電力は、経路切替分配手段１１から損失なく増幅手段（＃１）１２−１または増幅手段１２−２の入力となり、線形増幅された出力信号電力Ｐout は経路切替合成手段１３から損失なく出力される。

図２(2) は、２つの基地局ＢＳ−Ａ，ＢＳ−Ｂがそれぞれ収容するユーザ端末数が同数であり、その一方が故障またはメンテナンスによりその回線を他方の基地局で収容し、当該基地局の収容回線数が２倍になり、当該基地局の入力信号が各増幅手段の許容入力レベルの上限値Ｐinの２倍（２Ｐin）になる電力増大時を想定する。このとき、各増幅手段の許容入力レベルの上限値が１つの基地局の収容回線数に応じたＰinのままとすると、２倍の回線を収容する基地局の入力信号電力２Ｐinを、そのまま一方の増幅手段に入力しても線形増幅ができない。

そこで、動作モード制御手段１５は、一方の基地局が他方の基地局の回線を収容して入力信号電力が２Ｐinとなるときに、経路切替分配手段１１に対して入力信号を２つの増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段（＃２）１２−２に等振幅かつ等位相で出力する分配モードに設定し、経路切替合成手段１３に対して２つの増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段（＃２）１２−２の出力を損失なく合成して出力信号とする合成モードに設定する。これにより、入力信号電力２Ｐinは、経路切替分配手段１１で等分配（３dB減）され、増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段１２−２の許容入力レベルの上限値Ｐinになって入力し、それぞれで増幅された出力信号電力Ｐout が経路切替合成手段１３で合成（３dB増）されて出力信号電力２Ｐout として出力される。

ここで、２つの基地局ＢＳ−Ａ，ＢＳ−Ｂがそれぞれ収容するユーザ端末数が異なる場合に、その一方の基地局が他方の基地局の回線を収容したときの回線数は２倍未満または２倍を超えることがある。当該基地局の回線数が２倍未満となる場合は、その入力信号電力も２Ｐin未満となるので、経路切替合成手段１１，１３を分配・合成モードを設定すると、増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段１２−２の入力信号電力は、許容入力レベルの上限値Ｐin未満となり、許容入力レベルの上限値Ｐinである増幅手段をそのまま使用できる。

一方、１つの基地局で収容回線数が２倍を超える場合は、当該基地局の入力信号電力は２Ｐinを超えることになる。このとき、経路切替合成手段１１，１３を分配・合成モードを設定しても、増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段１２−２の入力信号電力は、許容入力レベルの上限値Ｐinを超えることになり、増幅手段の増幅能力をアップする必要が生じる。すなわち、許容入力レベルの上限値Ｐinの増幅手段をそのまま使用するためには、基地局の入力信号電力が２Ｐin以下の場合に限定してもよい。

以下、本発明における経路切替分配手段１１および経路切替合成手段１３の構成例について説明する。

図３は、経路切替分配手段１１および経路切替合成手段１３の構成例１を示す。ここでは、２つの増幅手段の一方を選択する経路切替モードに対応する構成を示す。
図３において、経路切替分配手段１１は経路切替器Ｌ１，Ｌ２と分配手段により構成され、経路切替合成手段１３は経路切替器Ｌ３，Ｌ４と合成手段により構成される。経路切替器Ｌ１〜Ｌ４には、図４に示すロータリー型の経路切替スイッチまたはトランスファー型の経路切替スイッチが用いられる。端子Ａ−Ｂおよび端子Ｃ−Ｄの経路と、端子Ａ−Ｄおよび端子Ｃ−Ｂの経路とを切り替えることができる構成である。

図３(1) は増幅手段（＃１）１２−１で増幅する経路である。経路切替分配手段１１では、経路切替器Ｌ１，Ｌ２の設定により分配手段を介さずに、入力信号Ｐinを増幅手段（＃１）１２−１に入力する経路が形成される。経路切替合成手段１３では、経路切替器Ｌ３の設定により合成手段を介さずに、増幅手段（＃１）１２−１の出力信号Ｐout を出力する経路が形成される。

図３(2) は増幅手段（＃２）１２−２で増幅する経路である。経路切替分配手段１１では、経路切替器Ｌ１の設定により分配手段を介さずに、入力信号Ｐinを増幅手段（＃２）１２−２に入力する経路が形成される。経路切替合成手段１３では、経路切替器Ｌ３，Ｌ４の設定により合成手段を介さずに、増幅手段（＃２）１２−２の出力信号Ｐout を出力する経路が形成される。

図５は、経路切替分配手段１１および経路切替合成手段１３の構成例２を示す。ここでは、電力増大時に２つの増幅手段を活用する分配・合成モードに対応する構成を示す。

図５において、経路切替分配手段１１は経路切替器Ｌ１，Ｌ２と分配手段により構成され、経路切替合成手段１３は経路切替器Ｌ３，Ｌ４と合成手段により構成されるが、ここでは分配手段および合成手段を通過する経路が形成される。経路切替分配手段１１では、経路切替器Ｌ１，Ｌ２の設定により分配手段を介して、入力信号２Ｐinを増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段（＃２）１２−２に分配する経路が形成される。経路切替合成手段１３では、経路切替器Ｌ３，Ｌ４の設定により合成手段を介して、増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段（＃２）１２−２の各出力信号Ｐout を合成する経路が形成され、出力信号２Ｐout として出力される。

ここで、図３(1),(2) に示す経路切替モードでは、２つの増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段（＃２）１２−２の一方を用いて信号増幅を行うが、他方の増幅手段のメンテナンスのためにその入出力端子を終端させることが好ましい場合がある。その場合には、図６に示すように、経路切替分配手段１１および経路切替合成手段１３にそれぞれ経路切替器を１つ追加することにより対応可能である。

図６(1),(2) は、増幅手段（＃１）１２−１または増幅手段（＃２）１２−２で増幅する経路である。経路切替分配手段１１では、経路切替器Ｌ１，Ｌ２，Ｌ５の設定により分配手段を介さずに、入力信号Ｐinを増幅手段（＃１）１２−１または増幅手段（＃２）１２−２に入力する経路が形成される。経路切替合成手段１３では、経路切替器Ｌ３，Ｌ４，Ｌ６の設定により合成手段を介さずに、増幅手段（＃１）１２−１または増幅手段（＃２）１２−２の出力信号Ｐout を出力する経路が形成される。

ここで、図６(1) では、増幅手段（＃２）１２−２の入力端子は、経路切替分配手段１１の経路切替器Ｌ１，Ｌ２，Ｌ５および分配手段を介して終端され、増幅手段（＃２）１２−２の出力端子は、経路切替合成手段１３の経路切替器Ｌ３，Ｌ４，Ｌ６および合成手段を介して終端される。図６(2) では、増幅手段（＃１）１２−１の入力端子は、経路切替分配手段１１の経路切替器Ｌ１，Ｌ２，Ｌ５および分配手段を介して終端され、増幅手段（＃１）１２−１の出力端子は、経路切替合成手段１３の経路切替器Ｌ３，Ｌ４，Ｌ６および合成手段を介して終端される。

また、図５に示す分配・合成モードに対応する場合でも、経路切替分配手段１１および経路切替合成手段１３にそれぞれ経路切替器を１つ追加した構成でも対応可能であり、その構成例を図７に示す。

図７において、経路切替分配手段１１は経路切替器Ｌ１，Ｌ２，Ｌ５と分配手段により構成され、経路切替合成手段１３は経路切替器Ｌ３，Ｌ４，Ｌ６と合成手段により構成される。経路切替分配手段１１では、経路切替器Ｌ１，Ｌ２，Ｌ５の設定により分配手段を介して、入力信号２Ｐinを増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段（＃２）１２−２に分配する経路が形成される。経路切替合成手段１３では、経路切替器Ｌ３，Ｌ４，Ｌ６の設定により合成手段を介して、増幅手段（＃１）１２−１および増幅手段（＃２）１２−２の各出力信号Ｐout を合成する経路が形成され、出力信号２Ｐout として出力される。

１１ 経路切替分配手段
１２ 増幅手段
１３ 経路切替合成手段
１４ 故障検出手段
１５ 動作モード制御手段

Claims (6)

1. 第１の増幅手段および第２の増幅手段を備え、その一方または両方を用いて入力信号を増幅して出力する電力増幅装置において、
   前記入力信号を前記第１の増幅手段に入力する経路または前記第２の増幅手段に入力する経路を切り替える第１の経路切替モードと、前記入力信号を前記第１の増幅手段および前記第２の増幅手段に等分配して入力する経路を形成する分配モードとのモード切り替えが可能な経路切替分配手段と、
   前記第１の増幅手段の出力信号を出力する経路または前記第２の増幅手段の出力信号を出力する経路を切り替える第２の経路切替モードと、前記第１の増幅手段および前記第２の増幅手段の各出力信号を合成した信号を出力する経路を形成する合成モードとのモード切り替えが可能な経路切替合成手段と、
   前記経路切替分配手段および前記経路切替合成手段のそれぞれに、前記第１の経路切替モードと前記第２の経路切替モードを同時に設定するか、または前記分配モードと前記合成モードを同時に設定する制御を行う制御手段と
   を備えたことを特徴とする電力増幅装置。
2. 請求項１に記載の電力増幅装置において、
   前記経路切替分配手段は、２つの入力端子と２つの出力端子との間の接続を切り替え可能な経路切替手段と、１つの入力端子に入力する信号を２つの出力端子に等分配して出力する分配手段とを備え、少なくとも２つの該経路切替手段と該分配手段とを組合せ、前記入力信号を前記第１の増幅手段または前記第２の増幅手段のいずれかまたは両方に出力する経路を形成する構成である
   ことを特徴とする電力増幅装置。
3. 請求項１に記載の電力増幅装置において、
   前記経路切替合成手段は、２つの入力端子と２つの出力端子との間の接続を切り替え可能な経路切替手段と、２つの入力端子に入力する信号を１つの出力端子に合成して出力する合成手段とを備え、少なくとも２つの該経路切替手段と該合成手段とを組合せ、前記第１の増幅手段または前記第２の増幅手段のいずれかの出力信号または各出力信号を合成した信号を出力する経路を形成する構成である
   ことを特徴とする電力増幅装置。
4. 請求項１に記載の電力増幅装置において、
   前記制御手段は、前記入力信号の信号電力が前記第１の増幅手段および前記第２の増幅手段で線形増幅可能な許容入力レベルの上限値以下であるときに、前記経路切替分配手段および前記経路切替合成手段のそれぞれに前記第１の経路切替モードと前記第２の経路切替モードを同時に設定し、前記入力信号の信号電力が該許容入力レベルの上限値を超えかつ該許容入力レベルの上限値の２倍以下であるときに、前記経路切替分配手段および前記経路切替合成手段のそれぞれに前記分配モードと前記合成モードを同時に設定する制御を行う
   ことを特徴とする電力増幅装置。
5. 第１の増幅手段および第２の増幅手段を備え、その一方または両方を用いて入力信号を増幅して出力する電力増幅制御方法において、
   前記入力信号を前記第１の増幅手段に入力する経路または前記第２の増幅手段に入力する経路を切り替える第１の経路切替モードと、前記第１の増幅手段の出力信号を出力する経路または前記第２の増幅手段の出力信号を出力する経路を切り替える第２の経路切替モードとを同時に設定する第１のステップを有し、
   前記入力信号を前記第１の増幅手段および前記第２の増幅手段に等分配して入力する経路を形成する分配モードと、前記第１の増幅手段および前記第２の増幅手段の各出力信号を合成した信号を出力する経路を形成する合成モードとを同時に設定する第２のステップを有し、
   前記第１のステップにより前記第１の増幅手段または前記第２の増幅手段の一方を用いて前記入力信号の増幅を行うか、または前記第２のステップにより前記第１の増幅手段および前記第２の増幅手段の両方を用いて前記入力信号の増幅を行う
   ことを特徴とする電力増幅制御方法。
6. 請求項５に記載の電力増幅制御方法において、
   前記入力信号の信号電力が前記第１の増幅手段および前記第２の増幅手段で線形増幅可能な許容入力レベルの上限値以下であり、前記第１の増幅手段または前記第２の増幅手段の一方で前記入力信号の増幅を行う場合に前記第１のステップを選択し、
   前記入力信号の信号電力が前記許容入力レベルの上限値を超えかつ前記許容入力レベルの上限値の２倍以下であり、前記第１の増幅手段および前記第２の増幅手段の両方で前記入力信号の増幅を行う場合に前記第２のステップを選択する
   ことを特徴とする電力増幅制御方法。

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