(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の構成要素を備えたことを特徴とするセルラ通信網。
ａ）固定型指向性アンテナを備えた基地局をひとつ有する第１のセル。
ｂ）固定型指向性アンテナを備えた基地局をひとつ有し、第１のセルを鏡像反転した構造を有し、かつ第１のセルに隣接した第２のセル。
ｃ）可変型指向性アンテナを備えた少なくともひとつの移動局。
ｄ）前記セルを、基地局を中心として扇形状に偶数個に分割して得られた複数のゾーン。
ｅ）第１のセルと第２のセルとが隣接した構成を基本単位として、この構成単位を平行移動によって繰り返したセル配置構造。
【請求項２】
可変型指向性アンテナを備えた少なくともひとつの移動局と移動体通信を行なうために下記の構成要素を備えたことを特徴とするセルラ通信網。
ａ）固定型指向性アンテナを備えた基地局をひとつ有する第１のセル。
ｂ）固定型指向性アンテナを備えた基地局をひとつ有し、第１のセルを鏡像反転した構造を有し、かつ第１のセルに隣接した第２のセル。
ｃ）前記セルを、基地局を中心として扇形状に偶数個に分割して得られた複数のゾーン。
ｄ）第１のセルと第２のセルとが隣接した構成を基本単位として、この構成単位を平行移動によって繰り返したセル配置構造。
【請求項３】
請求項１または２のセルラ通信網において、上記基地局は、上記セルに対応する第１の伝送路によって上記移動局に対して送信を行い、上記移動局は、任意のセルにおいて、上記任意のセルに設けられた上記基地局の上記第１の伝送路と異なる第２の伝送路によって、上記任意のセルに設けられた上記基地局への送信を行うことを特徴とするセルラ通信網。
【請求項４】
請求項３のセルラ通信網においてさらに次の特徴を有するセルラ通信網。
ａ）上記複数のゾーンに時計まわりに番号をつけた場合の奇数番目の上記ゾーンにおいては上記基地局が上記第１の伝送路の所定の部分伝送路によって上記移動局への送信を行い、偶数番目のゾーンにおいては上記基地局が上記第１の伝送路の他の部分伝送路によって上記移動局への送信を行う。
ｂ）上記奇数番目のゾーンにおいては上記移動局が上記第２の伝送路の所定の部分伝送路によって上記基地局への送信を行い、偶数番目のゾーンにおいては上記移動局が上記第２の伝送路の他の部分伝送路によって上記基地局への送信を行う。
【請求項５】
請求項３のセルラ通信網において、上記第１の伝送路および上記第２の伝送路が周波数分割により多重化されたものであることを特徴とするセルラ通信網。
【請求項６】
請求項３のセルラ通信網において、上記第１の伝送路および上記第２の伝送路がスペクトラム拡散方式通信における符号分割により多重化されたものであることを特徴とするセルラ通信網。
【請求項７】
請求項３のセルラ通信網において、上記第１の伝送路および上記第２の伝送路が時分割により多重化されたものであることを特徴とするセルラ通信網。
【請求項８】
請求項３のセルラ通信網において、上記第１の伝送路および上記第２の伝送路が偏波面分割により多重化されたものであることを特徴とするセルラ通信網。
【請求項９】
請求項３のセルラ通信網において、１５ないし３０００ＧＨｚの搬送周波数を用いたことを特徴とするセルラ通信網。
【請求項１０】
請求項９のセルラ通信網において、３０ないし６０ＧＨｚの搬送周波数を用いたことを特徴とするセルラ通信網。
【請求項１１】
請求項４のセルラ通信網において、上記ゾーンの個数が６であることを特徴とするセルラ通信網。
【請求項１２】
請求項４のセルラ通信網において、上記ゾーンの個数が４であることを特徴とするセルラ通信網。
【請求項１３】
請求項３のセルラ通信網において、さらに前記第１の伝送路を多重化する多重化手段を備え、この多重化された伝送路の一部を通して基地局の識別が可能なビーコン信号を送信することを特徴とするセルラ通信網。
【請求項１４】
請求項１３のセルラ通信網において、前記多重化手段が周波数分割多元接続によるものであることを特徴とするセルラ通信網。
【請求項１５】
請求項１３のセルラ通信網において、前記多重化手段がスペトラム拡散方式による符号分割多元接続によるものであることを特徴とするセルラ通信網。
【請求項１６】
請求項１３のセルラ通信網において、前記多重化手段が時分割多元接続によるものであることを特徴とするセルラ通信網。
【請求項１７】
請求項１３のセルラ通信網において、多重化された伝送路の一部をアクセス制御チャネルとして用い、このアクセス制御チャネルをスロットアロハ方式のプロトコルで運用し、スロット制御信号を前記基地局から送信することによって、前記ビーコン信号の機能をスロット制御信号に担わせることを特徴とするセルラ通信網。
【請求項１８】
請求項１または２のセルラ通信網において、さらに下記の特徴を有するセルラ通信網。
ａ）上記ゾーンを時計まわりに番号をつけた場合の奇数番目のゾーンにおいては上記基地局が第１の伝送路によって上記移動局への送信を行い、偶数番目のゾーンにおいては第２の伝送路によって上記移動局への送信を行う。
ｂ）上記奇数番目のゾーン内においては上記移動局が上記第１の伝送路によって上記基地局への送信を行い、偶数番目のゾーンにおいては上記基地局が上記第２の伝送路によって上記基地局への送信を行う。
【請求項１９】
請求項１８のセルラ通信網において、上記基地局の送信電力が上記移動局の送信電力より大になるように設定されているセルラ通信網。
【請求項２０】
請求項１８のセルラ通信網において、同一の上記ゾーン内ではトークンパッシング方式によって、上記基地局から上記移動局への伝送量と上記移動局から上記基地局への伝送量の割合を可変制御したことを特徴とするセルラ通信網。
【請求項２１】
請求項１８のセルラ通信網において、さらに前記第１の伝送路を多重化する第１の多重化手段と、前記第２の伝送路を多重化する第２の多重化手段とを備え、この多重化された第１ないし第２の伝送路の一部を通して基地局の識別が可能なビーコン信号を送信することを特徴とするセルラ通信網。
【請求項２２】
請求項２１のセルラ通信網において、多重化された伝送路の一部をアクセス制御チャネルとして用い、このアクセス制御チャネルをスロットアロハ方式のプロトコルで運用し、スロット制御信号を前記基地局から送信することによって、前記ビーコン信号の機能をスロット制御信号に担わせることを特徴とするセルラ通信網。
【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に用いられるセルラ型無線通信網に関し、特に移動局側に指向性アンテナを備えたセルラ型無線通信網に関する。また、本発明はフェーズドアレーアンテナを備えた移動体に関する。また、本発明はミリ波帯の通信システムに関する。また本発明は無線ＬＡＮに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２２はセルラ通信網におけるセル構造の基本的な概念を示す平面図である。各基地局２１１ないし２１７はそれぞれセル２０１ないし２０７内に固定して設けられセル２０１ないし２０７内の移動局２２１ないし２２７の通信を制御する。例えば、セル２０１内の移動局２２１は基地局２１１と周波数Ｆ１によって交信し、セル２０２内の移動局２２２は基地局２１２と周波数Ｆ２によって交信する。
【０００３】
隣接セル間では異なる周波数を用いることにより、セル間の干渉を防いでいる。隣接していないセルでは、再び同じ周波数を用いることができる。例えば、図２３に示すように、７種類のセル（７通りの周波数）の繰り返しにより、同じ周波数の再利用が可能となる。
【０００４】
実際のセルラ通信網では、基地局から移動局への伝送に使われる周波数と移動局から基地局への伝送に使われる周波数は別の周波数が用いられる。例えば図２４に示すように、基地局２１１から移動局１２１への伝送には周波数Ｆ１が、移動局１２１から基地局２１１への伝送には周波数Ｆ８が用いられる。したがって、全体では図２５に示すように１４種類の周波数が用いられることになる。例えば、実際に運用されているアナログセルラ電話のＮＴＴ（Ｎｉｐｐｏｎ  Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ  ＆  Ｔｅｌｅｇｒａｍ）方式では基地局送信は８７０−８８５ＭＨｚ、基地局受信（移動局送信）周波数は９２５−９４０ＭＨｚの範囲で行われている。
【０００５】
また実際のセルラ通信網では、単純に７種類の周波数を使うわけではなく、７種類の周波数をさらに細かく周波数分割して数百程度のチャネルに分けている。ひとつのセル内では、複数の移動局にはそれぞれ別のチャネルが割り当てられる。このような方式をＦＤＭ方式と呼ぶ。あるいはひとつの周波数を広い帯域のチャネルとして用い、このチャネルを時分割多元接続（ＴＤＭＡ）する方式も存在する。ＴＤＭＡ方式はディジタル方式の移動電話で実際に用いられている。また、拡散スペクトル方式の符号多重多元接続（ＣＤＭＡ）を用いてひとつの周波数を分割する方式も知られている。
【０００６】
図２６（ａ）に上記のＦＤＭ方式における周波数分割の様子を示す。通話用の多数のチャネル３０２とひとつのアクセス制御用のチャネル３０１とに分割されている。アクセス制御用のチャネルにおいては、ランダムアクセス方式のアロハ方式のプロトコルが採用されている。このアロハ方式のプロトコルでは、例えば、図２２において移動局２２１が基地局２１１に最初にアクセスする場合、アクセス制御用のチャネル３０１に向けてランダムにパケット３１１を送信する（図２６（ｂ）参照）。図２６（ｂ）はアクセス制御用のチャネル３０１におけるタイミングチャートを示す。基地局２１１は移動局２２１からのパケットを受信すると移動局２２１に向けて、パケットを受領したことを示すパケット（アクノレッジメントパケット）３１２を送り返す。アロハ方式ではランダムにパケットを送信するので、別々の移動局（図２２ではひとつのセルにはひとつの移動局しか描かれていないが、実際にはひとつのセルには多数の移動局が存在する）から送信されたパケット同士が衝突する場合が存在する。例えば図２６（ｃ）に示すようにパケット３１１にパケット３１３が衝突する。このような場合はアクノレッジメントパケット３１２が移動局に届かないので、移動局２２１はある時間（待機時間）アクノレッジメントパケットの到着が無い場合、衝突が生じたものと見なして再度パケット３１１ｒを送信する（図２６（ｃ）参照）。
移動局２２１から基地局２１１へのアクセスが成功した場合、基地局２１１から移動局２２１へアロハ方式に基づいて、通話チャネルの割当てを通知するパケットを送信する。
【０００７】
図２２に示すような、基地局も移動局も双方とも無指向性アンテナを備えているようなセルラ通信網はオムニゾーン方式とよばれている。オムニゾーン方式のセルラ通信網の基本繰り返しセル数は３種類以上あれば良く、代表的なセル構造として図２７に基本繰り返しセル数Ｎ＝４の場合を示す。また、前述のアナログセルラ電話のＮＴＴ方式で採用されている基本繰り返しセル数Ｎ＝１２の場合を図２８にそれぞれ示す。
【０００８】
基本繰り返し数Ｎが決まると同一チャネルを使用するセル間の距離Ｄ（図２８参照）は、ひとつのセルの半径をＲｒとすると次式で表されることが知られている。
【０００９】
【数１】
0003684754.tif 000002
セル間の境界付近の移動局は希望局（基地局）との距離がＲｒであり、干渉局（希望局と同一周波数を用いる最も近距離にある別の基地局）との距離が
【数２】
0003684754.tif 000003
となる。また地上無線通信では電波の伝搬損失は距離の３．４４乗に比例することが知られていることから、干渉保護比Ｄ／Ｕ（希望局：Ｄｅｓｉｒｅと干渉局Ｕｎｄｅｓｉｒｅのレベル比）は次式で与えられることが知られている。
【００１０】
【数３】
0003684754.tif 000004
例えば、基本繰り返しセル数Ｎ＝４の場合はＤ／Ｕ＝１３．５ｄＢ、  Ｎ＝７の場合はＤ／Ｕ  ＝  １９．１ｄＢ、  Ｎ＝１２の場合はＤ／Ｕ  ＝２４．０ｄＢという値を取る。
【００１１】
一方、基地局に指向性アンテナを備え、移動局に無指向性アンテナを備えた方式があり、これはセクタゾーン方式と呼ばれている。セクタゾーン方式は米国モトローラ社の開発したＴＡＣＳ（Ｔｏｔｏａｌ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）方式やディジタル方式のセルラ電話網に採用されている。なお、指向性アンテナを用いた通信方法一般のことを方向性ダイバシティ方式と呼ぶ。
【００１２】
図２９には４セル６ゾーン方式と呼ばれるセル配置構造を示す。これはＴＡＣＳ方式に採用されているセル方式である。これは６個のゾーンに分割したセル４個の基本繰り返しによって形成されたセルである。セルの中央にはひとつの基地局があり、基地局には６個の指向性アンテナが６０゜ずつの角度をもって各方向を向いた構成になっている。４セル６ゾーン方式の場合の希望局と干渉局のレベル比が最も大きくなるのは図３０に示すような場合である。希望局２３１からの信号と干渉局２３２からの信号が移動局２２１において干渉する場合である。計算の詳細は省略するが、この場合、希望局２３１と移動局２２１の距離ｒ１と干渉局２３２と移動局２２１の距離ｒ２の比は次式で与えられる。
【００１３】
【数４】
0003684754.tif 000005
したがって、前述のように地上無線通信では電波の伝搬損失は距離の３．４４乗に比例することから、最悪ケースのＤ／Ｕは１９．２ｄＢとなる。
【００１４】
図３１にはディジタルセルラ電話に用いられる４セル３ゾーン方式と呼ばれるセル構造を示す。この場合の最悪ケースでは、希望局２３１と移動局２２１の距離ｒ１と干渉局２３２と移動局２２１の距離ｒ２の比は次式で与えられる。
【００１５】
【数５】
0003684754.tif 000006
したがって、これもまた前述の地上無線通信における電波の伝搬損失が距離の３．４４乗に比例することから、最悪ケースのＤ／Ｕは１４．５ｄＢとなる。ディジタルセルラ電話では、誤り訂正符号や再送方式に工夫を加えたため、１０ｄＢ程度のＤ／Ｕがあれば十分な品質の伝送が可能となっている。このため、アナログ方式のセルラ網に比べて、干渉保護比の小さいセル構造が採用されている。
【００１６】
セル構造の性能評価尺度としては、上記の干渉保護比のほかに周波数再利用効率というファクターがある。これは、単位面積あたりの周波数帯域幅ηで評価すると良い。例えば、ひとつのセルの面積Ｓ０が１ｋｍ２であり、全体で１０ＭＨｚの周波数帯域幅Ｂｗをオムニゾーン方式の７つのセル（Ｎ＝７）に分割した場合を考えてみると、ひとつのセルには１０ＭＨｚ／７＝１．４ＭＨｚの周波数帯域幅が割り当てられる。ひとつのセルの面積Ｓ０が１ｋｍ２なのであるから、単位面積あたりの周波数帯域幅ηは１．４ＭＨｚ／ｋｍ２となる。もしもセルの面積を半分の５００ｍ２とした場合、この評価尺度は２．８ＭＨｚ／ｋｍ２となる。
【００１７】
また、ひとつのセルの面積が１ｋｍ２であり、全体で１０ＭＨｚの周波数帯域幅という条件は同じまま、４セル３ゾーン方式（セルの数Ｎ＝７、ゾーンの数Ｚ＝３）を採用したとする。全体で１２種類の周波数に割り当てることから、ひとつのゾーンあたりの周波数帯域幅は１０ＭＨｚ／１２＝０．８ＭＨｚであるが、ひとつのゾーンの面積は１ｋｍ２／３＝０．３３ｋｍ２となる。この結果、前述の単位面積あたりの周波数帯域幅ηは０．８ＭＨｚ／０．３３ｋｍ２＝２．４ＭＨｚ／ｋｍ２となる。すなわち、基本繰り返しセル数Ｎ＝７のオムニゾーン方式に比べて、４セル３ゾーン方式は約１．７倍の周波数再利用効率を持っていることになる。以上を数式化すると次式のようになる。
オムニゾーン方式の場合：
【００１８】
【数６】
0003684754.tif 000007
セクタゾーン方式の場合：
【００１９】
【数７】
0003684754.tif 000008
各方式における干渉保護比Ｄ／Ｕと単位面積あたりの周波数帯域幅ηを表にまとめると以下のようになる。ただし、セル面積１ｋｍ２、全体の周波数帯域幅１０ＭＨｚとして計算してある。
【００２０】
【表１】
0003684754.tif 000009
【００２１】
【表２】
0003684754.tif 000010
前述のように、実際のセルラ通信網では、基地局から移動局への伝送に使われる周波数と移動局から基地局への伝送に使われる周波数は別の周波数が用いられている。このことは、周波数再利用効率には影響を与えない。なぜなら、基地局に対する上り（Ｕｐｌｉｎｋ）と下り（Ｄｏｗｎｌｉｎｋ）の信号に別周波数を用いることによって、上りと下りの伝送を同時に行うことができるからである。電話のように上りと下りにおいてほぼ対象なトラフィックが発生するような信号伝送においては、上りと下りに別周波数を用いても総合的な周波数利用効率には影響が出ないのである。ただし、この構成は、上りと下りのトラフィックが非対称となるような系においては問題が出る。
【００２２】
セクタゾーン方式では基地局側は指向性を有するアンテナを用いているが、移動局側は指向性を有しない全方位アンテナを用いている。もしも、移動局側に指向性を有するアンテナを用いることができれば、周波数再利用効率をさらに向上させることが期待される。例えば図３２に示すように基地局２３１、２３２、移動局２４１、２４１がいずれも指向性アンテナを備えていれば、隣接セルで同一周波数を用いたとしても干渉することなく交信が行えるはずである。
【００２３】
この観点から、基地局、移動局双方に指向性アンテナ、特にフェーズドアレーアンテナのような指向性を電気的に制御できるようなアンテナを用いたシステムが提案されている（特開平５−２７６０８４号公報）。また、基地局側にフェーズドアレーアンテナを採用し、移動局側には全方位アンテナを採用した通信システムも提案されている（特開平７−１７０２２７号公報）。アンテナ技術の観点からも、移動局に搭載可能なフェーズドアレーアンテナについても提案がある（特開平３−２３４１２８号公報）。基地局側の方向性ダイバシティ制御方法についての提案も行われている（特開平７−８７０１１号公報）。また、電波ではなく光を用いたセルラ通信システムも提案されている（特開平３−９１３２９号公報）。移動体通信網ではなく、放送網について隣接セル間で同一の周波数を用いる場合についての提案も行われている（特開平６−２３７１９５号公報）。
【００２４】
さて、移動局側に指向性を有するアンテナを用いたシステムについての先行技術文献、例えば上記特開平５−２７６０８４号公報には、「基地局が例えば遠く離れた（角距離の大きい）２つの移動局と同一の周波数で通信することができ、しかもＴＤＭＡが使用されるならば同一チャネル上で通信でき、２つの通話は互いに干渉しない」旨の記載がある。しかしながら、このような移動局側に指向性を有するアンテナを用いたシステムにあっては、次に述べるような問題点が存在していた。
１）基地局の背後に回った移動局からの妨害波の発生。
２）基地局と移動局の最初のコネクション設定時の妨害波の発生。
３）角度距離の小さい移動局の分離の困難性。特に移動によって移動局間の角距離が小さくなった場合の分離の困難性。
【００２５】
まず上記第１の問題点について説明する。図３３に示すような、基地局２３１の背後に移動局（干渉局）２４２が存在し、基地局２３１、移動局２４１（希望局）、および移動局（干渉局）２４２がほぼ一直線上に存在する場合を考える。この場合、同一通信チャネル（同一周波数）で通信を行う場合、移動局（干渉局）２４２からの周波数Ｆ１の電波は基地局２３１からの周波数Ｆ１の電波とが混信して移動局２４１（希望局）に受信されてしまうことになる。移動局（干渉局）２４２が基地局２３１のすぐ背後に位置し、かつ、基地局と移動局の送信電力が等しい場合は、希望局からの電波と干渉局からの電波の強度はほぼ等しくなり、前述のＤ／Ｕ比は概略０ｄＢとなってしまう。
【００２６】
実際には、基地局の送信電力の方が移動局の送信電力の１０倍程度になるように設計する場合が多く、この点を考慮すると、図３３の場合は最悪でもＤ／Ｕ比が１０ｄＢ程度取れる勘定にはなる。しかし、基地局の送信電力が移動局の送信電力より大きい場合は図３４に示すような配置での基地局と移動局の間の干渉が生じる問題が生じる。図３４では、基地局２３１に移動局２４１が、基地局２３２に移動局２４２がそれぞれリンクしている。移動局２４１と移動局２４２は基地局２３１と基地局２３２を結ぶ直線上にあり、しかも、移動局２４１は基地局２３１と基地局２３２の中間点より僅かに基地局２３１側に、移動局２４２は基地局２３１と基地局２３２の中間点より僅かに基地局２３２側にあるものとする。すると、基地局２３２から送信された周波数Ｆ１の電波は移動局２４１から基地局２３１に向けて送信される周波数Ｆ１の電波同方向となってしまう。基地局２３１に対して移動局２４１は基地局２４２より半分の距離にはあるものの、基地局２４２の送信電力は、例えば移動局２３１の１０倍の出力があることになる。このため、前述の距離の３．４４乗に比例して減衰するという地上通信の性質を考慮すると、Ｄ／Ｕ比は概略０ｄＢとなってしまう。
【００２７】
したがって、先行技術によれば、基地局の送信電力を移動局と同程度にすれば、図３３のような配置でＤ／Ｕ比が概略０ｄＢとなってしまう場合があり、基地局の送信電力を移動局の１０倍程度に設定すると今度は図３４のような配置でＤ／Ｕ比が概略０ｄＢとなってしまう場合が生じることとなる。
【００２８】
次に上記第２の問題点について説明する。基地局、移動局双方が指向性アンテナを有しているのであるから、基地局と移動局の最初のコネクション設定時には、例えば、移動局ないし基地局のどちらか一方が無指向性アンテナを用いるなどして、基地局を探す必要がある。この点について、例えば上記特開平５−２７６０８４号公報にあっては、「接続を確立するには、少なくとも一方の側からの全方向性放射が必要である」旨の記載がある。ここで、図３５に示すように、基地局２３１、移動局（干渉局）２４２、および移動局２４１（希望局）がほぼ一直線上に存在する場合を考える。移動局（干渉局）２４２が最初のコネクション設定のために全方位アンテナを用いたとしたら、基地局２３１と移動局２４１（希望局）の交信に妨害を与えることになってしまう。
【００２９】
上記特開平５−２７６０８４号公報には記載されていないことであるが、上記特開平５−２７６０８４号公報の構成に加えて専用のアクセス制御チャネルを、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）ないしスペクトル拡散方式による符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）によって、設けることは考えられないことではない。専用のアクセス制御チャネルを設ければ、上記の移動局（干渉局）２４２が既に通話状態に入っている基地局２３１と移動局２４１（希望局）の交信に妨害を与えることを防ぐことは不可能ではない。しかし、アクセス制御チャネルをＴＤＭＡでアクセス制御チャネル（スロット）を設けることはできない。時分割多元接続の場合は図３５に示すような干渉を生じてしまうからである。
【００３０】
上記特開平５−２７６０８４号公報には、最初のコネクション確立に必要な通信制御手順に関する記載はほとんど見られず、指向性アンテナを用いた移動局追尾の制御手順は考慮されていない。敢えて仮定を加えて、専用のアクセス制御チャネルを、例えば、ＦＤＭＡないしＣＤＭＡによって専用のアクセス制御チャネルを設けたとして、さらに移動局２４１が最初のコネクション確立のために全方位アンテナを用いたとすると、以下に示ように、最初のコネクション確立のためのプロトコルは複雑を極めることになる。
【００３１】
移動局２４１が最初のコネクション確立のために全方位アンテナを用いたと想定した場合に考えられる制御手順の一例を図３６に示す。まず移動局２４１が全方位アンテナでアクセス制御チャネル（周波数ｆａｃ）を通して周辺３６０度全方向に基地局を捜すための信号を送信する（図３６（ａ））。基地局２３１は指向性アンテナをスキャンして移動局２４１の方位を検知する（図３６（ｂ））。移動局２４１は基地局２３１からの電波の方向を探知した上でアクセス制御チャネル（周波数ｆａｃ）で指向性電波を出して基地局２３１とのコネクションを確立する（図３６（ｃ））。次いで、移動局２４１と基地局２３１とは通話チャネル（周波数ｆｃｏｍ）で交信を開始する。電波の方向探知はフェ−ズドアレーアンテナを用いるとしても時間のかかる処理であり、また、上記のプロトコルは手順が多く、最初のコネクションの確立に時間がかかることは避けがたい。
【００３２】
さらに図３７（ａ）に示すように基地局２３１の周辺の複数の移動局２４１ないし２４５から同時にコネクション開設要求があった場合の処理や、図３７（ｂ）に示すような、ふたつの移動局移動局２４１と２４２が基地局２３１からみて角度分解が困難な場合、また反対に図３７（ｃ）に示すように移動局２４１に対して移動局２４１周辺の複数の基地局２３１ないし２３３から応答があった場合の処理などを考慮すると、さらに、コネクション確立のためのプロトコルは難しいものとなってしまう。
【００３３】
最後に上記第３の問題点について説明する。図３８に示すように、基地局２３１が固定方向の指向性アンテナを有している場合を考える。このような場合、ふたつのセクタ２５１と２５２の丁度境界上に移動局２４１があったとしたら、移動局２４１はセクタ２５１と２５２のどちらに属するのか分離することが困難である。たとえ、基地局２３１が可変指向性アンテナを有していたとしても、指向性アンテナの角度分解能以下の範囲に複数の移動局が存在していれば、やはり、それらの移動局の分離は困難である。しかも、初期には基地局の可変指向性アンテナの角度分解能以上の角度距離離れていた移動局が、移動によって、互いに接近したような場合には通信が途中で途絶（混信）するという問題が生じ得る。例えば、図３９に示すように、移動局２４２（干渉局）が２４２ａの位置から、別の移動局（希望局）２４１近傍の２４２ｂの位置へ移動したとする。基地局２３１は、移動局２４２（干渉局）を追尾して指向性アンテナの指向パターン２６２ａを指向パターン２６２ｂへと動かす。その結果、移動局（希望局）２４１を追尾しているアンテナの指向性パターン２６１と、移動局２４２（干渉局）を追尾しているアンテナの指向性パターン２６２ｂとが分離できなくなってしまう場合が生じ得る。
【００３４】
上記特開平５−２７６０８４号公報には明確には開示されていないものの、この先行技術にあっても、同一基地局のサービスエリア（前述のセルに対応する）内では周波数分割多元接続などが行われていると考えるのが妥当であろう。このように仮定すると、特開平５−２７６０８４号公報に開示されている技術においては、同一周波数を用いる周波数チャネルが、同一基地局のサービスエリア内で電波の指向性を用いて再利用されていると考えられる。すなわち、初期に周波数チャネルを割り当てる際に、電波の指向性では分離できないような角度距離しかない移動局同士には別の周波数チャネルを割り当て、十分な角度距離離れた移動局同士には同一周波数を割り当てる、というような制御を想定しているのではないかと思われる。ところが、最初の周波数チャネル割り当て時には十分な角度距離離れていた移動局同士も移動によって接近してしまったり、反対に、初期には角度距離的には近接していた移動局同士が移動によって離れるに至ることも考えられる。したがって、特開平５−２７６０８４号公報に開示されている技術を用いた場合、移動局同士の角度距離の変化に対して周波数チャネルの再割り当てを行うような制御手順が必須となると考えられる。
【００３５】
さらに、基地局が可変指向性アンテナを用いて一つ々々の移動局を追尾するとなれば、基地局が収容する移動局数だけ可変指向性アンテナが必要となる。もしも、ひとつのサービスエリア（セル）を数百の周波数チャネルに分け、さらに電波の指向性を利用して同一周波数チャネルを数局に移動局で共有するとなれば１０００以上もの可変指向性アンテナが必要となる。
【００３６】
【発明の解決しようとする課題】
本発明は上述のごとく、移動局に指向性アンテナを持たせたセルラ通信網において生じる以下のような課題を解決することを目的としている。
１）基地局の背後に回った移動局からの妨害波の発生。
２）基地局と移動局の最初のコネクション設定時の妨害波の発生。
３）角度距離の小さい移動局の分離の困難性。特に移動によって移動局間の角距離が小さくなった場合の分離の困難性。
４）基地局に多数の可変指向性アンテナが必要になる。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上述の目的を達成するために、セルラ通信網に、固定型指向性アンテナを備えた基地局をひとつ有するセルと、可変型指向性アンテナを備えた少なくともひとつの移動局と、前記セルを、基地局を中心として扇形に偶数個に分割して得られた複数のゾーンと、前記セルを平行移動によって繰り返したセル配置構造とを設けるようにしている。
【００３８】
この構成においては、移動局の指向性アンテナによって、セル間の干渉を防ぐことができる。
【００３９】
また、本発明によれば、上述の目的を達成するために、セルラ通信網に、固定型指向性アンテナを備えた基地局をひとつ有する第１のセルと、固定型指向性アンテナを備えた基地局をひとつ有し、第１のセルを鏡像反転した構造を有し、かつ第１のセルに隣接した第２のセルと、可変型指向性アンテナを備えた少なくともひとつの移動局と、前記セルを、基地局を中心として扇形状に偶数個に分割して得られた複数のゾーンと、第１のセルと第２のセルとが隣接した構成を基本単位として、この構成単位を平行移動によって繰り返したセル配置構造とを設けるようにしている。
【００４０】
この構成においても、移動局の指向性アンテナによって、セル間の干渉を防ぐことができる。
【００４１】
また、本発明によれば、上述の目的を達成するために、セルラ通信網に、全方向性アンテナを備えた基地局をひとつ有するセルと、指向性アンテナを備えた少なくともひとつの移動局と、前記セルを平行移動によって繰り返したセル構造とを設けるようにしている。
【００４２】
この構成においても、移動局の指向性アンテナによって、セル間の干渉を防ぐことができる。
【００４３】
また、本発明によれば、上述の目的を達成するために、セルラ通信網に、セル毎に設けられ、上記セルに対応する第１の伝送路によって送信を行う基地局と、任意のセルにおいて、上記任意のセルに設けられた基地局の上記第１の伝送路と異なる第２の伝送路によって、上記任意のセルに設けられた基地局への送信を行う指向性アンテナを備えた移動局とを設けるようにしている。
【００４４】
この構成においても、移動局の指向性アンテナによって、セル間の干渉を防ぐことができる。
【００４５】
また、この構成において、上記基地局は各々複数の固定型指向性アンテナを備えるようにし、上記セルの各々は、当該セル内の基地局を中心として配置される扇形の偶数セクタゾーンからなるようにし、上記セクタゾーンに時計まわりに番号をつけた場合の奇数番目の上記セクタゾーンにおいては上記基地局が上記第１の伝送路の所定の部分伝送路によって上記移動局への送信を行い、偶数番目のセクタゾーンにおいては上記基地局が上記第１の伝送路の他の部分伝送路によって上記移動局への送信を行うようにし、かつ上記奇数番目のセクタゾーンにおいては上記移動局が上記第２の伝送路の所定の部分伝送路によって上記基地局への送信を行い、偶数番目のセクタゾーンにおいては上記移動局が上記第２の伝送路の他の部分伝送路によって上記基地局への送信を行うようにしてもよい。
【００４６】
また、この構成において、上記基地局は全方位アンテナを備えるようにしてもよい。
【００４７】
また、この構成において、上記伝送路を周波数分割により多重化するようにしてもよく、スペクトラム拡散方式通信における符号分割により多重化さするようにしてもよく、時分割により多重化してもよく、偏波面分割により多重化してもよい。
【００４８】
また、この構成において、１５ないし３０００ＧＨｚの搬送周波数を用いてもよく、３０ないし６０ＧＨｚの搬送周波数を用いてもよい。
【００４９】
また、この構成において、上記セクタゾーンの個数を６とすることができ、また４とすることもできる。
【００５０】
また、上記セルの各々の構造を隣接するセルと鏡像反転した構成とすることができる。
【００５１】
また、前記第１の伝送路を多重化する多重化手段を備え、この多重化された伝送路の一部を通して基地局の識別が可能なビーコン信号を送信するようにしてもよい。
【００５２】
このようにすると、基地局が近くに存在する移動局に対して自局の存在を上記ビーコン信号を介して知らしめることが可能となる。移動局は上記ビーコン信号の方向を探知した後定められたプロトコルしたがって基地局に対して最初のコネクションの確立を行うことができる。したがって移動局は全方向性放射を行う必要がなく、他の局への干渉を防ぐことができる。また、移動局が全方向性放射を行って、基地局が移動局の方向探知を行う場合に比べて制御が容易になる。
【００５３】
この場合、前記多重化手段が周波数分割多元接続によるものであってよい。
また、前記多重化手段がスペトラム拡散方式による符号分割多元接続によるものであってもよい。
【００５４】
また、前記多重化手段が時分割多元接続によるものであってもよい。
また、多重化された伝送路の一部をアクセス制御チャネルとして用い、このアクセス制御チャネルをスロットアロハ方式のプロトコルで運用し、スロット制御信号を前記基地局から送信することによって、前記ビーコン信号の機能をスロット制御信号に担わせるようにしてもよい。
【００５５】
また、本発明によれば、上述の目的を達成するために、セルラ通信網に、セル毎に設けられ指向性アンテナを備えたを備えた基地局と、指向性アンテナを備えた少なくともひとつの移動局とを設け、上記セルを、基地局を中心として配置される扇形の偶数個のクタゾーンから構成し、上記セクタゾーンを時計まわりに番号をつけた場合の奇数番目のセクタゾーンにおいては上記基地局が第１の伝送路によって上記移動局への送信を行い、偶数番目のセクタゾーンにおいては第２の伝送路によって上記移動局への送信を行うようにし、上記奇数番目のセクタゾーン内においては上記移動局が上記第１の伝送路によって上記基地局への送信を行い、偶数番目のセクタゾーンにおいては上記基地局が上記第２の伝送路によって上記基地局への送信を行うようにしている。
【００５６】
この構成においても、移動局の指向性アンテナによって、セル間の干渉を防ぐことができる。
【００５７】
また、この構成においては、上記基地局の送信電力が上記移動局の送信電力より大になるように設定するようにできる。また、同一の上記セクタゾーン内ではトークンパッシング方式によって、上記基地局から上記移動局への伝送量と上記移動局から上記基地局への伝送量の割合を可変制御するようにできる。
【００５８】
また、前記第１の伝送路を多重化する多重化手段を備え、この多重化された伝送路の一部を通して基地局の識別が可能なビーコン信号を送信するようにしてもよい。
【００５９】
この場合、前記多重化手段が周波数分割多元接続によるものであってよい。
また、前記多重化手段がスペトラム拡散方式による符号分割多元接続によるものであってもよい。
【００６０】
また、前記多重化手段が時分割多元接続によるものであってもよい。
また、多重化された伝送路の一部をアクセス制御チャネルとして用い、このアクセス制御チャネルをスロットアロハ方式のプロトコルで運用し、スロット制御信号を前記基地局から送信することによって、前記ビーコン信号の機能をスロット制御信号に担わせるようにしてもよい。
【００６１】
【発明の実施の態様】
以下、本発明の実施例について説明する。
［第１実施例］
まず本発明の第１実施例について説明する。図１は本発明の第１実施例のセルラ通信網のセルの基本構造を示す平面図である。図１において、セル１内にはひとつの基地局３１が備えられている。基地局３１は６方向の指向性アンテナを備えている。セル１は６個のセクタゾーン１１、１２、１３、１４、１５、及び１６に分けられている。また、セル１内には移動局２１、２２が含まれており、移動局２１、２２には指向性アンテナが備えられている。セクタゾーン１１内では、基地局１１から移動局２１への伝送は周波数Ｆ１で行われ、移動局２１から基地局１１への伝送は周波数Ｆ２で行われる。同様に、セクタゾーン１３および１５内では、基地局１１から移動局（図示しない）への伝送は周波数Ｆ１で行われ、移動局から基地局１１への伝送は周波数Ｆ２で行われる。一方、セクタゾーン１１に隣接するセクタゾーン１２内では、基地局１１から移動局２２への伝送は周波数Ｆ３で行われ、移動局２２から基地局１１への伝送は周波数Ｆ４で行われる。同様に、セクタゾーン１４および１６内では、基地局１１から移動局（図示しない）への伝送は周波数Ｆ３で行われ、移動局から基地局への伝送は周波数Ｆ４で行われる。図１にはひとつセクタゾーンにはひとつの移動局しか書かれていないが、実際は複数（一例を挙げれば数百）の移動局が存在する。
【００６２】
図２は本発明の第１実施例のセルラ通信網のセル配置構造を示す平面図である。基本繰り返しセル数Ｎ＝１のセルラ網になっている。図２に示したセル配置構造は移動局が指向性アンテナを有することによって可能となったことに注意すべきである。例えば、図２中に示される移動局２３に、もしも指向性アンテナが備えられていなかったとする。この場合、移動局２３は６つのセクタゾーンの境界に位置しており、しかも、６つのセクタゾーンは３つずつ同じ周波数対を用いている。したがって、移動局２３は同じ周波数対を採用しているセクタゾーンを区別することができない。しかし、これら同一の周波数を採用しているセクタゾーンの基地局は全て移動局２３から見て別方向に存在するので、移動局２３に指向性アンテナを採用すればこれらのセクタゾーンを区別することができる。
【００６３】
本実施例において、基地局から移動局への送信周波数と移動局から基地局への送信周波数を変えたのは、セクタゾーンの境界上に位置する移動局同士の干渉を防ぐためである。図２で、移動局２３および２４がセクタゾーンの境界上に位置し、かつ、基地局３１を挟んでほぼ直線上にある場合にあったとする。しかも、移動局２４は移動局２３から見て、基地局３１のすぐ背後にあったとする。セクタゾーンの境界上では移動局は周波数Ｆ２で送信する場合と周波数Ｆ４で送信する場合の双方があるので、移動局２３および２４がたまた同じ周波数（例えばＦ２）で送信してしまう確率が存在する。この時、送受信を同一周波数チャネルの下で時分割によって行ったとすると、移動局２４は基地局３１と移動局２４からの同じ周波数の電波を受信することになる。しかも移動局２４は基地局３１のすぐ背後に存在するので移動局２４の基地局３１への干渉は極めて大きなものとなってしまう。これは、図３３を用いて説明した先行技術における問題点と類似した現象である。しかし本実施例にあっては、移動局から基地局への「上り」の周波数と基地局から移動局への「下り」の周波数とが異なるので、このような場合においても移動局２３と２４の間で干渉が生じることがない。
【００６４】
また、本実施例では、基地局３１ないし３７は特定の周波数チャネルあるいはＴＤＭＡスロットなどを用いてビーコン（パイロット）信号を各セクタゾーン中に常時送信する。移動局はこのビーコン信号を受信して基地局の方向を検出することができる。さらにこのビーコン信号には基地局を特定するアドレスなども含まれており、移動局は接続可能な基地局を識別することができる。
【００６５】
図１９（ａ）は特定の周波数チャネルを用いてビーコン信号を常時送信している場合を示す。図２０はアクセス制御を行う基地局３１と移動局２１との配置を示す。Ｆ１ｂは周波数Ｆ１に対応するビーコン信号の周波数を示し、Ｆ１ａｃはＦ１に対応するアクセスチャネルを示し、Ｆ１ｃｏｍはＦ１に対応する通信チャネルを示す。Ｆ１ｂは常時送信されているので、移動局２１はＦ１ｂの周波数で電波発信源の方向を検出することによって基地局の位置を知ることができる。また、ビーコン信号には基地局３１のアドレスを識別する信号がふくまれているので、論理的なリンク情報も得ることができる。
【００６６】
図１９（ｂ）はアクセスチャネル（周波数Ｆ１ａｃ）上のトラフィックを示すタイムチャートである。アクセスチャネル上ではアロハ方式のプロトコルが採用されているので、パケット３１１あるいは３１２はランダムに移動局２１と基地局３１の双方から発信されている。パケット３１１あるいは３１２を介したネゴシエーションによって、移動局２１は基地局３１から通信チャネル（周波数Ｆ１ｃｏｍ）のアクセス権を得る。通信チャネル（周波数Ｆ１ｃｏｍ）内は再び周波数分割多重、時分割多重、あるいは符号分割多重により多重化されており、その多重化されたチャネルの一部を移動局２１は基地局３１から割当てられる。
【００６７】
ビーコン信号Ｆ１ｂを用いることによって、従来技術においても問題点であった、基地局と移動局のコネクションの開設の困難さが大きく低減される。
【００６８】
なお、上記のビーコン信号、アクセスチャネル、通信チャネルの多重化は周波数分割多元接続に変えて符号分割多元接続であっても良い。
【００６９】
図２０（ａ）はスロットアロハ方式のアクセスチャネルを用いて、ビーコン信号の送信を行う実施形態である。図１９（ａ）の場合と異なって専用のビーコン信号は設けられていない。この実施形態ではビーコン信号としてアクセスチャネルの同期信号を用いる。図２０（ｂ）はアクセスチャネル（周波数Ｆ１ａｃ）上のトラフィックを示すタイムチャートである。同期信号３２２はタイムスロット３２３の初めを示す信号であり、基地局３１から一定間隔で送信される。移動局２１はまず同期信号３２２を検出して、基地局の方位や基地局３１のアドレスを識別する。次いで、タイムスロットに同期した形でランダムに基地局３１へのアクセス要求パケット３２１を送信する。基地局も移動局に対するアクセス制御情報をタイムスロットに同期したパケットとして移動局２１に通知する。
図２１に上記の制御手順の様子の概要を示す。基地局３１はビーコン信号（Ｆ１ｂ）を常時送信し、移動局２１は可変指向性アンテナで基地局３１の方位を探知する。次いで基地局３１と移動局２１とでアクセスチャネル（Ｆ１ａｃ）上でアクセス制御を行うのである。
【００７０】
この実施形態においても、通信チャネル（周波数Ｆ１ｃｏｍ）内は再び周波数分割多重、時分割多重、あるいは符号分割多重により多重化されており、その多重化されたチャネルの一部を移動局２１は基地局３１から割当てられる。その割当てに関する情報が、アクセスチャネルを介して行われるのである。
【００７１】
本実施例では基地局に固定の指向性アンテナを採用して固定されたセクタゾーンを形成している。したがって、移動局は基地局から送信される上記パイロット信号を受信することによって、接続可能な基地局を検出することができる。すなわち、従来技術にあったような全方位への電波放出をすることなく接続可能な基地局を検出することができる。
【００７２】
本実施例では固定セクタゾーンを採用しているから、従来のセルラ通信網において開発されたセクタゾーンの切り替え技術を用いることが可能である。したがって、特開平５−２７６０８４号公報に開示されている技術では必要となると考えられる、移動局同士の角度距離の変化に対して周波数チャネルの再割り当てを行うような制御手順は不要である。また収容局数だけ可変指向性アンテナが必要となることもない。
【００７３】
図３に図２のセル構造におけるセル間干渉の最悪ケースを示す。移動局２１が図３に示すような位置にある場合、基地局（希望局）３１からの電波と基地局（干渉局）３２からの電波は共に同方向かつ同一周波数で移動局２１に受信される。この場合、基地局（希望局）３１と移動局２１の距離ｒ１と基地局（干渉局）３２と移動局２１の距離ｒ２の比はｒ２／ｒ１＝３となる。前述の地上無線通信における電波の伝搬損失が距離の３．４４乗に比例するという関係から、最悪ケースの干渉保護比Ｄ／Ｕは１６．４ｄＢとなる。
【００７４】
また、単位面積当たりの周波数帯域幅は、セル面積１Ｋｍ２、全体の周波数帯域幅１０ＭＨｚとした場合に３０ＭＨｚ／Ｋｍ２となる。なぜなら、単位ゾーンの面積は１Ｋｍ２／６であり、かつゾーン当たりの周波数帯域幅は１０ＭＨ／２となるからである。
【００７５】
図４は移動局２１の概略構成を示す図である。移動局２１は図４（ａ）に示すような、複数のアンテナ４１ないし４６を有して、必要に応じてアンテナを切り換える構造をしている。あるいは図４（ｂ）に示すような、フェーズドアレーアンテナを備えた構造を有していても良い。
【００７６】
携帯電話のような人が持ち運ぶ機器に本発明を適用することを考えると、アンテナのサイズの関係から本実施例は準ミリ波帯（１５−３０ＧＨｚ）、ミリ波帯（３０ＧＨｚ−３００ＧＨｚ）ないしはサブミリ波帯（３００ＧＨｚ−３０００ＧＨｚ）の搬送周波数の電波を用いることが望ましい。３０ＧＨｚでは電波の波長は１ｃｍであるから、人が携帯可能なアンテナの大きさ（数センチメートル）を考慮すると、上記周波数範囲が望ましいことになる。アンテナ切り替え方式にしても、フェーズドアレーアンテナにしても使用波長の数倍の大きさのアンテナが必要である。
【００７７】
また、使用する電波の波長が短いとアンテナのサイズは小さくなるが、電波伝搬が地上の様々な障害物や降雨の影響などを受け易くなる。この点を考慮すると、人が携帯する通信機器に本発明を適用するには、人が携帯可能なアンテナサイズの上限になるべく近い範囲の周波数帯、具体的には３０−６０ＧＨｚの範囲の周波数の電波を用いることが特に望ましい考えられる。
【００７８】
もちろん、車載システムのような、アンテナの寸法の制限が緩いシステムの場合は、より低い周波数を用いることもできる。あるいは無線  ＬＡＮのようなシステムでは、１８ＧＨｚ前後のサブミリ波帯で本発明を実施することもできる。無線ＬＡＮの使われ方は、移動体通信というよりはケーブルレスの側面が強いので、携行性にこだわる必要があまりないからである。無線ＬＡＮに本発明を適用すると、周波数再利用効率が高く取れるので、システム全体のスループットを向上させることができる。
【００７９】
［第２実施例］
つぎに本発明の第２実施例について説明する。図５は本発明の第２実施例のセルラ通信網のセルの基本構造を示す平面図である。図５において、セル７１内にはひとつの基地局６１が備えられている。基地局６１は全方向性アンテナを備えている。また、セル７１内には移動局２１が含まれており、移動局２１には指向性アンテナが備えられている。基地局６１から移動局２１への伝送は周波数Ｆ１で行われ、移動局２１から基地局１１への伝送は周波数Ｆ２で行われる。図１にはひとつの移動局２１しか書かれていないが、実際は複数の移動局が存在する。本実施例と第１実施例の相違は基地局が全方向性アンテナを備えていることである。
【００８０】
本実施例において、基地局から移動局への送信周波数と移動局から基地局への送信周波数を変えた理由は、基地局同士の干渉を防ぐためである。基地局は全方位アンテナを備えているので、もしも、基地局の送信周波数と受信周波数（移動局の送信周波数）が同一であったとすると、隣接する基地局の送信周波数と移動局からの送信周波数が同一となってしまう。このような干渉を防ぐために、基地局から移動局への送信周波数と移動局から基地局への送信周波数を変えたのである。
【００８１】
図６は本発明の第２実施例のセルラ通信網のセル配置構造を示す平面図である。図５に示したセルと同一の構造を有するセル７つからセルの基本繰り返し構造が形成されている。セル７１、７２、７３、７４、７５、７６、及び７７には全方向性アンテナを備えた基地局６１、６２、６３、６４、６５、６６、及び６７がそれぞれ備えられている。各セル内には例えば指向性アンテナを備えた移動局２１、２２、２３、２４、２５、２６、及び２７がそれぞれ移動中である。本実施例は基地局が全方向性アンテナを備えている点はオムニゾーン方式に類似しているが、各セルにおいて、同じ周波数が用いられている点がオムニゾーン方式と大きく異なる。また、図６では各セルにはそれぞれひとつずつの移動局しか描かれていないが、実際には前述のごとく、各セルには多数の同様の構成を備えた移動局が含まれている。本実施例のセル構造を図７に示す。基本繰り返しセル数Ｎ＝１のセルラ網になっている。
【００８２】
図６のようなセル構造における干渉保護比は、図７に示されるような場合を考えることによって見積もることができる。基地局６２から移動局２２への電波信号に対して、基地局６１からの電波信号が干渉してくることになる。この場合、希望局（基地局６２）と移動局２２の距離ｒ１と、干渉局（基地局６１）と移動局２２の距離ｒ２との比はｒ２／ｒ１＝３となるので、前述の地上無線通信では電波の伝搬損失は距離の３．４４乗に比例するという関係から、干渉保護比Ｄ／Ｕ＝３．４４ｌｏｇ（ｒ２／ｒ１）＝１６．４ｄＢと求められる。また、単位面積当たりの周波数帯域幅は、セル面積１Ｋｍ２、全体の周波数帯域幅１０ＭＨｚとした場合に１０ＭＨｚ／Ｋｍ２となる。
【００８３】
本実施例は、第１実施例に比べて周波数利用効率は劣るものの、基地局の構成が簡単で、ハンドオーバーの制御方法も簡単になるという利点がある。しかも、周波数利用効率は第１実施例に比べれば劣るとはいっても、従来のオムニゾーン方式やセクタゾーン方式に比べれば、はるかに高い値を示している。
【００８４】
［第３実施例］
つぎに本発明の第３実施例について説明する。図８に本発明の第３実施例のセルラ通信網のセル配置構造を示す。図８において、各セルの構造は図１に示した第１実施例の場合と同じセル構造を有している。第１実施例とこの第３実施例の違いは、ひとつおきにセルが鏡像反転した構造を取っていることである。すなわち、図１０においてセル１０１ａとセル１０１ｂとは互いに鏡像関係にある。このふたつのセル１０１ａとセル１０１ｂを基本構成として繰り返した構造が図８に示した本発明の第３実施例の特徴となっている。
【００８５】
このセル配置構造においては、第１実施例の際に最悪ケースとなった移動局と基地局の位置関係の干渉関係が大きく改善されている。図９を参照すると、第２実施例において最悪ケースの干渉局となった位置にある基地局１１２ｂの送信する電波は希望局  （基地局１１１ａ）と同一方向であるものの希望局（基地局１１１ａ）とは異なる周波数（基地局１１１ａはＦ２であるのに対し基地局１１１ｂはＦ１）であるので干渉しない。なお、図９では基地局の送信周波数のみを示し、移動局の送信周波数は省略している。これは、今考えている干渉は、ふたつの基地局の送信信号が、ひとつの移動局にどのように受信されるかを考えているので、移動局の送信周波数は考慮する必要がないために省略したのである。
【００８６】
移動局１２２から見た希望局（基地局１１１ａ）に対する干渉局は、図９の配置では基地局１１２ａである。この場合、希望局（基地局１１１ａ）と移動局１２２の距離ｒ１と、干渉局（基地局１１２ａ）と移動局１２２の距離ｒ２との比はｒ２／ｒ１＝５となるので、前述の地上無線通信では電波の伝搬損失は距離の３．４４乗に比例するという関係から、干渉保護比Ｄ／Ｕ＝３．４４ｌｏｇ（ｒ２／ｒ１）＝２４．４ｄＢと求められる。
【００８７】
ただし、図８のセル配置構造では別の基地局、移動局配置関係において、もっと大きな干渉が起こる場合がある。すなわち、図１０に示したような配置関係である。この場合、移動局１２２から見た希望局（基地局１１１ａ）に対する干渉局は基地局１１３ａとなる。この場合、希望局（基地局１１１ａ）と移動局１２２の距離ｒ１と、干渉局（基地局１１３ａ）と移動局１２２の距離ｒ２との比はｒ２／ｒ１＝３となるので、前述の地上無線通信では電波の伝搬損失は距離の３．４４乗に比例するという関係から、干渉保護比Ｄ／Ｕ＝３．４４ｌｏｇ（ｒ２／ｒ１）＝１６．４ｄＢと求められる。結局、図１０のケースが最悪ケースとなり、図１０のセル配置の干渉保護比Ｄ／Ｕ＝３．４４ｌｏｇ（ｒ２／ｒ１）＝１６．４ｄＢとなる。したがって、最悪時の干渉保護比は第１実施例の場合と同じになってしまうが、最悪時の発生する確率は１／３に減少することとなり、干渉保護比の平均値は第１実施例の場合に比べて大きく改善される。
【００８８】
なお、図１０においても基地局の送信周波数のみを示し、移動局の送信周波数は省略している。
【００８９】
また、単位面積当たりの周波数帯域幅は、第２実施例と等しく３０ＭＨｚ／  Ｋｍ２となる。この第３実施例では第２実施例の２倍の種類の周波数を用いているが、基地局と移動局の送信周波数を変えているので、同一ゾーン内の基地局と移動局が同時に送信を行うことができるからである。したがって、基地局に対する上りと下りのトラフィックが対象な場合は第３実施例は第２実施例と同等の周波数利用効率が得られることになる。
【００９０】
［第４実施例］
つぎに本発明の第４実施例について説明する。図１１は本発明の第４実施例のセルラ通信網のセルの基本構造を示す平面図である。この第４実施例は、基地局と移動局が同じ周波数を用いて送信を行う点が、第１実施例との主な相違点である。
【００９１】
図１１において、セル１３１内にはひとつの基地局１５１が備えられている。基地局１５１は６方向の固定型指向性アンテナを備えている。セル１３１は６個のセクタゾーン１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、及び１４６に分けられている。隣接するセクタゾーンでは別の周波数を用いている。また、セル１３１内には移動局１６１、１６２が含まれており、移動局１６１、１６２には指向性アンテナが備えられている。基地局１５１から移動局１６１への伝送は周波数Ｆ１で行われ、セクタゾーン６１内の移動局１６１から基地局１５１への伝送も周波数Ｆ１で行われる。基地局１５１から移動局１６２への伝送は周波数Ｆ２で行われ、セクタゾーン１４２内の移動局１６２から基地局１５１への伝送も周波数Ｆ２で行われる。移動局の図示はないが、セクタゾーン１４３とセクタゾーン１４５内では基地局から移動局への送信は周波数Ｆ１で、移動局から基地局への送信も周波数Ｆ１で行われる。また、同様にセクタゾーン１４４とセクタゾーン１４６内では基地局から移動局への送信は周波数Ｆ２で、移動局から基地局への送信も周波数Ｆ２で行われる（移動局の図示なし）。図１１にはひとつセクタゾーンにはひとつの移動局１６１しか書かれていないが、実際は複数の移動局が存在する。
【００９２】
図１２は本発明の第４実施例のセルラ通信網のセル配置構造を示す平面図である。基本繰り返しセル数Ｎ＝１のセルラ網になっている。本実施例では、基地局の送信電力は移動局の送信電力より大きく設定されている。基地局と移動局の送信電力比は１０倍程度以上、望ましくは干渉保護比と同程度が良い。図１１ないし図１２の構成では、基地局と移動局の送信電力比は４０倍（１６ｄＢ）程度が望ましいことになる。これは、先行技術の項において説明したようなふたつの移動局が基地局を挟んで一直線上に並ぶような場合の干渉を防ぐためである。図１２では、移動局１６３と移動局１６４が基地局１５１を挟んでセクタゾーン境界上に一直線に並んでいる。しかも、移動局１６４は基地局のすぐ背後に位置しているとする。このような場合、前述のように移動局１６４からの送信電波が基地局１５１からの送信電波と混信して移動局１６３に受信される。しかしながら、基地局１５１の送信電力が移動局１６４の４０倍に設定されていれば干渉保護比Ｄ／Ｕは１６．４ｄＢ確保できることになる。
【００９３】
先行技術にあっては、上述のように基地局の送信電力を移動局の送信電力より大きく設定すると、隣接する基地局が移動局に干渉する場合が存在した。しかし、本実施例にあってはこのような現象は存在しない。なぜなら、図１３に示すように、本実施例では、基地局から送信される電波は同一周波数ごとに同じ方向を向くからである。例えば、ＡＡ’線上では周波数Ｆ１の電波はＡＡ’方向にしか送信されない。一方、周波数Ｆ２の電波はＡ’Ａ方向にしか送信されない。同様に、ＢＢ’線上では周波数Ｆ１の電波はＢＢ’方向にのみ、ＣＣ’線上では周波数Ｆ１の電波はＣＣ’方向にのみしか送信されない。また、ＢＢ’線上では周波数Ｆ２の電波はＢ’Ｂ方向にのみ、ＣＣ’線上では周波数Ｆ２の電波はＣ’Ｃ方向にのみしか送信されない。したがって、本実施例では基地局の送信電力を移動局のそれより大きくなるように設定しても従来技術に見られたような、隣接する基地局が移動局に干渉することはないのである。
【００９４】
本実施例では、同一ゾーン内の基地局が移動局へ送信する場合と、移動局が基地局へと送信を行う場合とは時分割によって制御されている。すなわち、基地局が移動局へ送信する時は移動局は送信せず、移動局が基地局へ送信する時は基地局は送信しない。このような制御は公知の時分割制御技術によって行うことができる。
【００９５】
本実施例では、基地局に対する上りと下りのトラフィックが非対称な場合に、上りと下りの伝送量を変えるような構成を採用することもできる。例えば、公知のトークンパッシング方式を採用すれば、上りと下りのトラフィックを可変制御することが可能である。トークンパッシング方式は、トークンと呼ばれる発言許可証順々に回すことによって時分割制御を行う方式である。
【００９６】
トークンパッシング方式を本実施例に採用した場合は例えば次のような手順によって時分割制御を行うことができる。まず、基地局がトークンと呼ばれる送信許可を示すパケットを特定移動局宛に発する。そのトークンによって送信許可を受けた移動局は、送信要求を有している場合は、一定長までのパケット（パケット長さは固定でも良いし、可変であっても良い）を基地局宛に送信した後、トークンを基地局に返す。もしも、トークンを受け取った移動局にたまたまその瞬間は送信要求が無い場合は、その局（移動局）はトークンを直ちに返す。基地局から移動局への送信要求がある場合は、トークンが帰ってきた後に基地局がその送信要求に基づくパケットを移動局宛に送信し、送信終了後に次の移動局にトークンを回す。すなわち、基地局→移動局→基地局→次の移動局→・・・という順序でトークンを回していく。
【００９７】
データ通信の分野ではトラフィックが非対称となる系も多く、本実施例の上りと下りのトラフィックを可変制御することが可能という特性は有益である。例えば、ＷＷＷ（Ｗｏｒｌｄ  Ｗｉｄｅ  Ｗｅｂ）のサーバが移動局側にあるような場合は極めて希である。ＷＷＷではサーバからクライアント（情報をブラウズするユーザ側）への伝送量の方が、クライアント側からサーバ側への伝送量より圧倒的に多い。したがって、携帯情報端末でＷＷＷサービスを受ける場合は、無線系のトラフィックは、上りが少なく下りが多くなる。
【００９８】
本実施例の干渉保護比Ｄ／Ｕは第１実施例と同様１６．４ｄＢとなる。また、単位面積当たりの周波数帯域幅も第１実施例と同様３０ＭＨｚ／Ｋｍ２となる。
【００９９】
［従来技術との性能比較］
従来技術と本発明の各実施例の干渉保護比と周波数再利用効率を比較すると表３のようになる。単純な比較はできないが、本発明によれば干渉保護比を従来方式と同程度に保ちつつ周波数再利用効率を１０倍以上改善することが可能である。
【０１００】
【表３】
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図１４は横軸に干渉保護比、縦軸に周波数利用効率をとり、本発明の第１から第４実施例および、オムニゾーン方式セクタゾーン方式の代表例をプロットしたグラフである。
【０１０１】
［変型例］
上記第１ないし第２実施例の構成をＦＤＭＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ：  周波数分割多元接続）方式ではなく、スペクトラム拡散方式を用いたＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ：  符号分割多元接続）や、ＴＤＭＡ  （Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ：  時分割多元接続）、あるいは偏波面分割に置き換えてセルラ通信網を構築することもできる。
【０１０２】
例えば図１５は図２の構成をＦＤＭＡからＣＤＭＡに代えた構成であるし、図１６は図６の構成をＦＤＭＡからＴＤＭＡに代えた構成である。図１５においてＣ１ないしＣ４はスペクトラム拡散通信方式における拡散符号を示す。図１６において、Ｔ１ないしＴ２は時分割多重方式におけるタイムスロットを表す。ＴＤＭＡ方式でセルラ網を構築する場合は、図１７に示すようなタイミングで時分割伝送を行えば良い。基地局６１から移動局２１へはタイムスロットＴ１で、反対に移動局２１から基地局６１へはタイムスロットＴ２で伝送する。同様に基地局６２から移動局２２へはタイムスロットＴ１で、反対に移動局２２から基地局６２へはタイムスロットＴ２で伝送する。なお、ＴＤＭＡを行う場合は全てに基地局のタイムスロットはある一定の範囲内で同期している必要がある。
【０１０３】
偏波面分割については特に図示しないが、垂直偏波と水平偏波によって伝送路を分割する公知の技術である。周波数分割、時分割、あるいは符号分割などと異なって、実用レベルの分離度を得るにはふたつの伝送路にしか分割できないが、他の方法（周波数分割、時分割、あるいは符号分割）と組み合わせて用いることができる。
【０１０４】
また、図１８に示すような４角形のセル構造に本発明を適用することも可能である。図１８の構成は干渉保護比や周波数再利用効率の観点からはあまり利点はないが、セル配置構造が簡単であるという利点がある。
【０１０５】
［応用範囲］
本発明は、セルラ型携帯電話のような無線モバイル通信網に適用可能なことを説明してきた。しかしながら、本発明の応用範囲はセルラ型携帯電話に限定されることはない。例えば、セルラ型携帯ＴＶ電話に適用したり、無線モバイルデータ通信網に適用することも可能である。さらには屋外（公衆網）に応用範囲が限定されることもない。例えば、構内網である無線ＬＡＮシステムに本発明を適用することもできる。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明によれば、セルラ型無線通信網において従来とほぼ同等のセル間干渉保護比を維持しながら、周波数再利用効率を向上せしめることができる。また、移動局に可変指向性アンテナを用いた従来技術において問題となっていた、基地局と移動局の最初のコネクション開設時の困難さを解消し、制御を容易化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例のセルラ通信網のセルの基本構造を示す平面図である。
【図２】  本発明の第１実施例のセルラ通信網のセル配置構造を示す平面図である。
【図３】  図２のセル構造におけるセル間干渉の最悪ケースを示す図である。
【図４】  移動局２１の概略構成図である。
【図５】  本発明の第２実施例のセルラ通信網のセルの基本構造を示す平面図である。
【図６】  本発明の第２実施例のセルラ通信網のセル配置構造を示す平面図である。
【図７】  図６のセル構造におけるセル間干渉の最悪ケースを示す概略図である。
【図８】  本発明の第３実施例のセルラ通信網のセル配置構造を示す平面図である。
【図９】  図８のセル構造におけるセル間干渉を示す概略図  （基地局の送信周波数のみ示す）である。
【図１０】  図８のセル構造におけるセル間干渉の最悪ケースを示す概略図（基地局の送信周波数のみ示す）である。
【図１１】  本発明の第４実施例のセルラ通信網のセルの基本構造を示す平面図である。
【図１２】  本発明の第４実施例のセルラ通信網のセル配置構造を示す平面図である。
【図１３】  本発明の第４実施例のセルラ通信網において基地局が電波を送信する方向を示す図である。
【図１４】  本発明の第１ないし第４  実施例と従来技術との干渉保護比と周波数利用効率を比較したグラフである。
【図１５】  図２の構成をＦＤＭＡからＣＤＭＡに代えた場合のセル配置構造を示す平面図である。
【図１６】  図６の構成をＦＤＭＡからＴＤＭＡに代えた場合のセル配置構造を示す平面図である。
【図１７】  図１６の構成におけるタイミングチャートである。
【図１８】  ４角形のセル構造を採用した場合のセル配置構造を示す平面図である。
【図１９】  本発明の第１実施例において用いられる、アクセス制御の方法を示す概略図である。
【図２０】  本発明の第１実施例において用いられる、別のアクセス制御の実施態様を示す概略図である。
【図２１】  図１９のアクセス制御が実行される環境を説明する図である。
【図２２】  従来のセルラ通信網におけるセル構造の基本的な概念を示す平面図である。
【図２３】  図２２のセル構造の繰り返しを示す平面図（オムニゾーン方式Ｎ＝７）である。
【図２４】  図２２の従来のセル構造の単一セル内での基地局と移動局の送受信周波数の関係を示す平面図である。
【図２５】  図２２の従来のセル構造において繰り返しセルの個数Ｎ＝７の場合１４種類の周波数が用いられることを示すセル配置図である。
【図２６】  従来技術において、可変指向性アンテナを用いて移動局を追尾する際に、移動局の移動によって生じる干渉を示す図である。
【図２７】  基本繰り返しセル数Ｎ＝４の場合の従来のオムニゾーン方式のセル配置図である。
【図２８】  基本繰り返しセル数Ｎ＝１２の場合の従来のオムニゾーン方式のセル配置図である。
【図２９】  ４セル６ゾーン（Ｎ＝４，  Ｚ＝６）の従来のセクタゾーン方式のセル配置図である。
【図３０】  ４セル６ゾーン（Ｎ＝４，  Ｚ＝６）の従来のセクタゾーン方式におけるセル間干渉の最悪ケースを示す平面図である。
【図３１】  ４セル３ゾーン（Ｎ＝４，  Ｚ＝３）の従来のセクタゾーン方式におけるセル間干渉の最悪ケースを示す平面図である。
【図３２】  従来技術において提案された、基地局と移動局双方が指向性アンテナを有している場合の通信ネットワークを示す概念図である。
【図３３】  従来技術において、基地局のすぐ背後に移動局（干渉局）が存在する場合の干渉関係を示す図である。
【図３４】  従来技術において、ふたつの基地局の中間点付近にふたつの移動局がある場合の基地局が移動局に対して干渉する様子を示す図である。
【図３５】  従来技術において、移動局が全方向性アンテナを用いてコネクション設定を行うことによって、干渉を生じることを示す図である。
【図３６】  従来技術において、セルラ通信網のアクセス制御チャネルの構造を示す概略図である。（ａ）はアクセス制御チャネル３０１と通信チャネル３０２の配置を示す図、（ｂ）はアクセス制御チャネルに採用されテイルアロハ方式のプロトコルにおけるパケットのトラフィックを示すタイムチャート。（ｃ）はアロハ方式におけるパケットの衝突の様子と再送の様子を示すタイムチャート。
【図３７】  従来技術において、可変指向性アンテナを用いて最初に基地局問移動局とのコネクションを確立するに当たって生じる問題点を説明する概略図である。
【図３８】  従来技術において、基地局が固定型の指向性アンテナを有する場合に、セクタゾーンの境界において生じる干渉を示す図である。
【図３９】  従来技術において、可変指向性アンテナを用いて移動局を追尾する際に、移動局の移動によって生じる干渉を示す図である。
【符号の説明】
１−２…セル、１１−１７…セクタゾーン、２１−２７…指向性アンテナを有する移動局、３１−３７…固定型指向性アンテナを有する基地局、４０…移動局本体、４１−４６…指向性アンテナ、５１…フェーズドアレーアンテナの一エレメント、５２…移相器、６１−６７…全方向性アンテナを有する基地局、７１−７７…セル、８１−８４…パケット、１０１ａ…セル、１０１ｂ…セル１０１ａに対して鏡映な構造を有するセル、１０２ａ…セル、１０２ｂ…セル１０２ａに対して鏡映な構造を有するセル、１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂ…固定型指向性アンテナを有する基地局、１２２…指向性アンテナを有する移動局、１３１…セル、１４１−１４６…セクタゾーン、１５１…固定型指向性アンテナを有する基地局、１６１−１６２…指向性アンテナを有する移動局、１６３…移動局（希望局）、１６４…移動局（干渉局）、２０１−２０７…セル、２１１−２１７…全方向性アンテナを有する基地局、２２１−２２７…全方向性アンテナを有する移動局、２３１−２３２…指向性アンテナを有する基地局、２４１−２４２…指向性アンテナを有する移動局、２４２ａ−２４２ｂ…移動局２４２の位置、２５１−２５６…固定型指向性アンテナの指向性パターン、２６１、２６２ａ、２６２ｂ…可変指向性アンテナの指向性パターン、２７１…移動局２４２の移動方向、２７２…移動局２４２を追尾する可変指向性アンテナの追尾方向、３０１…アクセス制御チャネル、３０１…通信チャネル、３１１…アクセス制御用パケット、３１１ｒ…再送されたアクセス制御用パケット、３１２…アクノレッジメントパケット、３１３…衝突パケット、３２１…アクセス制御用パケット、３２２…タイムスロット制御用同期信号、３２３…タイムスロット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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