(57)【要約】【課題】チャネル相関を抑制して、より高いＳＩＲ特性を実現する。【解決手段】複数のアンテナ素子を平面または該平面に近似可能な曲面である準平面上に２次元配置したアンテナであって、複数のアンテナ素子は、垂直面２２とアンテナ設置時の水平面とが交差する直線で表される所定の射影軸、に対して射影した場合に、射影軸における各射影が、互いに重ならず、略等間隔である。【選択図】図２
2014230257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子を平面または該平面に近似可能な曲面である準平面上に２次元配置したアンテナであって、
前記複数のアンテナ素子は、
前記平面または準平面とアンテナ設置時の水平面とが交差する直線で表される所定の射影軸、に対して射影した場合に、前記射影軸における各射影が、互いに重ならず、略等間隔であるアンテナ。
【請求項２】
前記複数のアンテナ素子は、
前記射影軸における各射影が、１０％の誤差の範囲内で等間隔である請求項１記載のアンテナ。
【請求項３】
前記複数のアンテナ素子は、指向性アンテナであり、かつ、当該指向性アンテナの最大利得を示す方向を共通とする請求項１または２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記指向性アンテナの最大利得を示す方向は、前記平面または準平面に垂直な方向である請求項３に記載のアンテナ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナを備え、無線チャネルを介して端末局との通信を行う基地局装置。
【請求項６】
複数のアンテナ素子を平面または該平面に近似可能な曲面である準平面上に２次元配置するアンテナ素子の配置方法であって、
前記複数のアンテナ素子を、
前記平面または準平面とアンテナ設置時の水平面とが交差する直線で表される所定の射影軸、に対して射影した場合に、前記射影軸における各射影が、互いに重ならず、略等間隔となるように配置するアンテナ素子の配置方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ、基地局装置、及びアンテナ素子の配置方法に関し、特に、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）による高速伝送技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、スマートフォンの爆発的な普及に伴って、利便性の高いマイクロ波帯の周波数資源が枯渇している。対策として、第３世代の携帯電話から第４世代の携帯電話への移行や、新しい周波数帯の割り当てが行われている。しかし、サービスの提供を望む事業者が多いことから、各事業者に割り当てられる周波数資源は限られている。
【０００３】
携帯電話のサービスにおいては、複数のアンテナ素子を利用したマルチアンテナ・システムによる周波数利用効率の向上を目指す検討が進められている。既に普及している無線標準規格ＩＥＥＥ(The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.)８０２．１１ｎでは、送信と受信との双方に複数のアンテナ素子を用いるＭＩＭＯ伝送技術を用いて空間多重伝送を行う。これにより、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎでは、伝送容量を高めて周波数利用効率を向上させている。なお、ＭＩＭＯという用語は、一般には送信局及び受信局共に複数アンテナを備えることを想定して使われる。受信側が単数アンテナの場合には、ＭＩＭＯではなく、ＭＩＳＯ(Multiple Input Single Output)という用語が使われる。ただし、本明細書では、これらを全て包含する意味でＭＩＭＯという用語を用いる。
また、近時の通信技術としては、ＯＦＤＭ(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)変調方式やＳＣ−ＦＤＥ(Single Carrier Frequency Domain Equalization)方式のように、複数の周波数成分（サブキャリア）に分割して周波数軸上で信号処理を行う方式が一般的である。以下の説明では、特にＯＦＤＭやＳＣ−ＦＤＥの区別をせず、それらに共通する一般的な方式を前提として「サブキャリア」という用語を用いて説明する。
【０００４】
ＭＩＭＯ伝送技術においては、送信局と受信局との間の伝送路情報を知ることで、より効率的な伝送を行うことが可能となる。最も単純な例としては、送信側にＮ本のアンテナ素子を備え、受信側に１本のアンテナ素子のみを備える場合、Ｎ本のアンテナ素子から送信される信号が受信アンテナにおいて同位相合成されるように送信側で指向性制御を行う。これにより、回線利得を高めることができる。具体的には、第ｋサブキャリアにおける送信局の第ｊアンテナから受信局のアンテナまでの間のチャネル情報をｈｊ（ｋ）とした時に、そのアンテナ素子に対して下記の数式（１）の送信ウエイトｗｊ（ｋ）を算出し、これを送信信号に乗算したものを各アンテナから送信する。なお、上記チャネル情報は、厳密には、送信系および受信系のＲＦ(Radio Frequency)回路内のアンプ、フィルタ等の複素位相の回転、及び振幅の変動情報を含むものとする。
【数１】
2014230257.tif 000003
【０００５】
チャネル情報及び送信ウエイトを各アンテナに対応させた各成分とするベクトルを、アップリンクにおけるチャネルベクトルｈ（ｋ）および送信ウエイトベクトルｗ（ｋ）と称する。厳密には、アップリンクにおけるチャネルベクトル→ｈ（ｋ）（「ｈ（ｋ）」の前の記号「→」は、ｈの上に付与されてベクトルを表すための記号である）は行ベクトル、送信ウエイトベクトル→ｗ（ｋ）は列ベクトルとして表記されるべきである。しかし、本明細書では、簡単のために、行ベクトルと列ベクトルとを区別せずに表記する。また、以降の説明では受信信号Ｒｘ、送信信号Ｔｘおよびノイズｎに関する表記も同様に「→」を付与してベクトルであることを明示すべきであるが、他に紛らわしい表記が無いので「→」を省略して説明する。受信信号Ｒｘは、送信信号Ｔｘおよびノイズｎに対して下記の数式（２）で与えられる。
【数２】
2014230257.tif 000004
数式（１）を数式（２）に代入すると、チャネルベクトルｈ（ｋ）の各成分の絶対値を全アンテナ成分にわたって加算した値がチャネル利得として得られる。Ｎ本アンテナであれば、受信信号の振幅は１本アンテナで送信した場合のＮ倍になるものと期待される。受信信号強度は、振幅の２乗に比例するからＮ２倍にまで改善される。この値が複数のアンテナ素子をアレーアンテナとして利用した場合の利得である。
【０００６】
一般的には、シャノンの定理により、ＳＮＲ(Signal-Noise Ratio)の改善量に対して、伝送容量の増加は、低ＳＮＲ領域ほど大きく、高ＳＮＲ領域ほど小さいことが知られている。そのため、回線利得の改善によって伝送容量の向上を目指すより、受信側にも複数のアンテナを備え、空間多重によって伝送容量の向上を目指すことが多い。空間多重によって伝送容量のアップを目指すのがＭＩＭＯ伝送技術である。複数の送信アンテナと受信アンテナとの間のチャネル情報が既知の場合には、そのチャネル行列をＳＶＤ(Singular Value Decomposition）分解し、固有モードでの伝送を行うことで伝送容量を最大化する。
具体的には、下記の数式（３）のように、チャネル行列Ｈをユニタリー行列ＵとＶ、および特異値λを対角成分にもつ対角行列Ｄに分解する。
【数３】
2014230257.tif 000005
この際、送信ウエイト行列としてユニタリー行列Ｖを用いれば、受信信号ベクトルＲｘは、送信信号ベクトルＴｘ、ノイズベクトルｎに対して、下記の数式（４）で与えられる。
【数４】
2014230257.tif 000006
受信側では、ユニタリー行列Ｕのエルミート共役の行列ＵＨを乗算することで、下記の数式（５）を得る。
【数５】
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数式（５）において、対角行列Ｄの非対角成分はゼロであるから、送信信号のクロスタームは既にキャンセルされ、信号分離された状態となる。各特異値λの絶対値の２乗値が個別の信号系列の回線利得に相当する。各特異値λは、信号系統ごとに異なる値となる。この固有モードの特異値にあわせた伝送モードを最適化することによって、伝送容量を最大化することができる。伝送モードは、変調多値数と誤り訂正の符号化率などの組み合わせで定まる信号伝送の具体的なモードである。
【０００７】
上記は、１台の基地局と１台の端末局を想定したシングルユーザＭＩＭＯ伝送技術に関する説明である。同様の説明は、１台の基地局と複数台の端末局との間において同時に同一周波数軸上で通信を行うマルチユーザＭＩＭＯにも拡張可能である。マルチユーザＭＩＭＯにおいては、一般に、各端末は空間多重する合計の信号系統数よりも少ない本数のアンテナ素子で通信を行う。そのため、ダウンリンクにおいては、送信側で事前にユーザ間干渉を抑圧するための指向性制御を行う。具体的な式は若干異なるが、基本的には上記の固有モード伝送と同様に、チャネル行列を把握した上でそれに合わせた送信ウエイトを用いる。
【０００８】
また、上記の説明では、ダウンリンクを中心に説明を行ったが、アップリンクにおいても同様に事前にチャネル情報を把握した上で、そのチャネル情報を利用した通信を行うことができる。例えば、最初に説明したアレーアンテナとしての処理においては、数式（１）にて与えられる同位相合成のウエイトを受信ウエイトとして用いる他、最大比合成のウエイトとして、下記の数式（６）で与えられるものを用いることも可能である。
【数６】
2014230257.tif 000008
数式（６）の定数Ｃは適宜定められる係数である。ベクトルの各成分の中でｈｊ（ｋ）の絶対値が大きいものは大きな重みで足し合わされ、また、小さな信号は小さな重みで足し合わされる。これにより、ＳＮＲの大きな信号を重視し、ＳＮＲの小さな信号の雑音が過度に影響を与えないように調整が図られる。
【０００９】
以上のマルチユーザＭＩＭＯ及びアレーアンテナの技術を更に発展させた新しい空間多重伝送技術として、大規模アンテナシステムの提案がなされている（例えば、非特許文献１から非特許文献４参照）。
図９は、大規模アンテナシステムの概要を示す図である。図９においては、基地局１、無線局２、見通し波３、構造物による安定反射波４、地上付近の多重反射波５〜６、構造物７が示されている。図９の大規模アンテナシステムにおいては、基地局１は、多数（例えば１００本以上）のアンテナ素子を用いて、ビルの屋上や高い鉄塔の上など高所に設置される。無線局２も同様に、ビルの屋上、家屋の屋根の上、電信柱や鉄塔の上など高所に設置される。そのため、基地局１と無線局２の間は概ね見通し環境にあり、その間には見通し波３のパスや大型の安定的な構造物７の安定反射波４などに加え、地上付近での車や人などの移動体などによる多重反射波５、６が混在する。無線局２は高所にある。更に指向性アンテナを用いる場合などは特に、地上付近の多重反射波５、６は、見通し波３及び安定反射波４などに比べて受信レベルが低くなる。
【００１０】
図１０は、見通し環境および見通し外環境におけるインパルス応答を表す図である。図１０（ａ）は見通し外環境でのインパルス応答を、図１０（ｂ）は見通し環境でのインパルス応答をそれぞれ示している。図１０（ａ）（ｂ）において、横軸は遅延時間、縦軸は各遅延波の受信レベルを表す。図１０（ａ）に示した見通し外環境の場合、見通し区間の直接波成分は存在せず、様々な経路の多重反射波が数多く成分として存在し、各振幅及び複素位相は時間と共にランダムに激しく変動する。これに対し、図９に示した大規模アンテナシステムのような見通し環境を想定する場合、見通し波３、構造物７による安定反射波４の安定パスはレベルが高い。見通し波３、構造物７による安定反射波４よりも遅延量が大きい時変動パスの多重反射波は、多重反射と経路長にともなう減衰により、図１０（ｂ）に示すように相対的にレベルが小さくなる。このようなチャネル情報を複数回取得して平均化すると、安定パスの成分は振幅及び複素位相共に毎回安定しているにもかかわらず、時変動パスの成分は複素空間上でランダムに合成され平均化される。そのため、平均化により安定成分のみを効果的に抽出することが可能になる。
【００１１】
このようにして得られる時変動のない安定パスのチャネル情報をもとに、基地局１（図９参照）は送受信ウエイトを算出する。基地局１は、算出した送受信ウエイトを用いて多数のアンテナ素子で同位相合成を行うための指向性制御を行う。上記の送受信ウエイトを用いることで、基地局１は、指向性制御のターゲットとする通信相手の無線局への指向性利得をアンテナ本数Ｎの２乗倍に比例して高めることができる。また、ターゲット以外の無線局への与干渉の指向性利得はＮ倍に留まるため、相対的に希望信号と干渉信号との間には単純計算でＮ倍のギャップが生じる。結果的にＳＩＲ(Signal to Interference Ratio)の期待値は１０Ｌｏｇ１０（Ｎ）ｄＢとなる。この期待値は、Ｎが１００の場合には２０ｄＢとなる。更に相関の小さな無線局を選択的に空間多重する場合には、更なるＳＩＲ特性の改善が期待され、より高い空間多重が実現できる。
【００１２】
非特許文献３及び非特許文献４には、上記の送受信ウエイトでは抑圧しきれない干渉を更に抑圧するための技術や、より低いチャネル相関の無線局の組み合わせを選択する技術が紹介されている。超高次の空間多重を実現するためには、チャネル情報の相関の小さな無線局を組み合わせることが重要である。基地局の多数のアンテナと第ｊ無線局との間の第ｋサブキャリアに関するチャネル情報を成分とするチャネル情報ベクトル→ｈｊ（ｋ）（「ｈｊ（ｋ）」の前の記号「→」は、ｈの上に付与されてベクトルを表すための記号である）と、別の第ｉ無線局におけるチャネル情報ベクトル→ｈｉ（ｋ）との間のチャネル相関は以下の数式（７）で与えられる。
【数７】
2014230257.tif 000009
【００１３】
見通し波のみで構成される仮想的なチャネルモデルを想定すると、上記のチャネル相関は二つの異なる無線局の方位の角度差θに強く依存した振る舞いを示すと考えられる。
図１１は、基地局から角度θの方位差をもって存在する無線局を示す図である。二つの無線局のチャネル情報ベクトルを→ｈ1（ｋ）および→ｈ2（ｋ）とすると、チャネル相関の角度差依存性を計算することができる。
図１２は、方位差角度θの二つの無線局におけるチャネル相関の角度差θ依存性を示す図である。ここでのシミュレーション条件としては、基地局のアンテナ数を１２８本とし、５．２ＧＨｚの周波数帯において、２波長間隔で１２８本のアンテナを円形に配置することを想定した。基地局と無線局との間は３ｋｍで固定し、円形に無線局の座標を動かしながらチャネル相関を計算している。図１２を読み取ると、角度差θが例えば５度程度以下であるとチャネル相関が大きな値になる場合があるが、所定の閾値α度を越えると相関は概ね０．２以下となる。非特許文献４に示されるスケジューリング法は、この角度差５度以上のチャネル相関の低さを積極的に利用したものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】太田厚 他、「大規模アンテナ無線エントランスシステムの提案」、電子情報通信学会総合大会B-5-175, 2013年3月.
【非特許文献２】新井拓人 他、「大規模アンテナ無線エントランスシステムにおける送受信ウェイト算出法」、電子情報通信学会総合大会B-5-176, 2013年3月.
【非特許文献３】丸田一輝 他、「大規模アンテナ無線エントランスシステムにおけるユーザ間干渉抑圧法」、電子情報通信学会総合大会B-5-177, 2013年3月.
【非特許文献４】黒崎聰 他、「大規模アンテナ無線エントランスシステムにおける低相関スケジューリング法」、電子情報通信学会総合大会B-5-178, 2013年3月.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
図１２を詳細に見たときに、概ね角度差が２５度程度までは安定的に相関値が低い。しかし、角度差が２５度程度を越えるとチャネル相関はランダムに変動し、時折、相関値が０．２を超える場合がある。０．２という相関値自体は比較的低い値であるために良好な特性ということができるが、この相関値のばらつきを抑えてより安定的に低い値に抑え込むことができればより高いＳＩＲ特性を実現可能である。換言すれば、伝送モードに要求されるＳＩＲ値を実現する範囲で可能な空間多重数を増大させることができる。
【００１６】
上記事情に鑑み、本発明は、チャネル相関を抑制することにより、より高いＳＩＲ特性を実現し、伝送モードに要求されるＳＩＲ値を実現する範囲で可能な空間多重数を増大させるアンテナ、基地局装置、及びアンテナ素子の配置方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を平面または該平面に近似可能な曲面である準平面上に２次元配置したアンテナであって、前記複数のアンテナ素子は、前記平面または準平面とアンテナ設置時の水平面とが交差する直線で表される所定の射影軸、に対して射影した場合に、前記射影軸における各射影が、互いに重ならず、略等間隔である。
【００１８】
本発明の一態様においては、前記複数のアンテナ素子は、前記射影軸における各射影が、１０％の誤差の範囲内で等間隔である。
【００１９】
本発明の一態様においては、前記複数のアンテナ素子は、指向性アンテナであり、かつ、当該指向性アンテナの最大利得を示す方向を共通とする。
【００２０】
本発明の一態様においては、前記指向性アンテナの最大利得を示す方向は、前記平面または準平面に垂直な方向である。
【００２１】
本発明の一態様は、上記のアンテナを備え、無線チャネルを介して端末局との通信を行う基地局装置である。
【００２２】
本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を平面または該平面に近似可能な曲面である準平面上に２次元配置するアンテナ素子の配置方法であって、前記複数のアンテナ素子を、前記平面または準平面とアンテナ設置時の水平面とが交差する直線で表される所定の射影軸、に対して射影した場合に、前記射影軸における各射影が、互いに重ならず、略等間隔となるように配置する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、チャネル相関を抑制して、より高いＳＩＲ特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】アンテナを円形配置した場合の無線局側から見たアンテナの配置関係を示す図である。
【図２】本発明の基本原理の図を示す図である。
【図３】本発明の基本原理の補足を示す図である。
【図４】第１のアンテナの例を示す図である。
【図５】本発明以外のアンテナの例を示す図である。
【図６】第２のアンテナの例を示す図である
【図７】第３のアンテナの例を示す図である。
【図８】第１のアンテナの効果をシミュレーションにより評価した結果を示す図である。
【図９】大規模アンテナシステムの概要を示す図である。
【図１０】見通し環境および見通し外環境におけるインパルス応答を表す図である。
【図１１】基地局から角度θの方位差を持って存在する無線局を示す図である。
【図１２】方位差角度θの二つの無線局におけるチャネル相関の角度差θ依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
大規模アンテナシステムでは、送受信される信号を多数のアンテナで同位相合成することにより、指向性利得と空間多重時のＳＩＲ特性の改善を図ることができる。一般に、指向性制御に関与できるアンテナの本数が多いほど、特性を向上できると考えられる。基地局の回路規模を同程度で比較するために、個別のＲＦ回路、ベースバンド処理回路の系統数の総数が同じ条件で検討する。ＲＦ回路は、ハイパワーアンプ、ローノイズアンプ、フィルタ、ＴＤＤ(Time Division Duplex)スイッチ、Ａ／Ｄ(Analog/Digital)変換器、Ｄ／Ａ(Digital/Analog)変換器等の部材と関連付けられた１系等分のアナログ回路である。より多くのアンテナが関与することにより特性を改善することができるため、全方位に同一の指向性利得を示すオムニ指向性のアンテナの適用が基本となる。さらに、全方位に等方的な特性を示すために、このオムニ指向性のアンテナを円形に配置する。
【００２６】
前述の通り、図１２に示したチャネル相関の評価では、２波長間隔でアンテナを円形に配置した場合を想定している。図１２においては、角度差が２５度以上の領域で時折、チャネル相関値が高くなっている箇所がある。この箇所には、概ねチャネル相関が低くなりながらも、アンテナによる指向性の分解能が不足しているために、チャネル相関値の低さを安定的に維持できないという状況が現れていると考えられる。一般的には、空間的な広がりを持った配置でアンテナが設置されている場合ほど、指向性の分解能は高いと考えられる。しかし、空間的な広がりの幅（範囲）が同程度である場合には、アンテナの分布に偏りがない場合ほど、分解能は高くなると期待される。
【００２７】
図１は、アンテナを円形配置した場合の無線局側から見たアンテナの配置関係を示す図である。図１（ａ）は、図中の座標軸と平行な方向から見た場合の図である。図中の座標軸は、円形の中心からひとつの黒丸で示すアンテナ方向に伸ばした軸である。図１（ｂ）は、図１（ａ）とは異なる方向から見た場合の図である。図１（ａ）（ｂ）において、黒丸はアンテナ、大きな矢印は無線局から見た基地局の方向、白丸はこの方向から見た場合に投射されたアンテナの配置関係を示している。つまり、アンテナが存在する水平面内（図は、水平面を上側から見ている状態）において、この水平面内に含まれ、かつ、矢印方向に垂直な一次元の軸上に、黒丸で示したアンテナの位置を投影（射影）したものが白丸である。
【００２８】
図１（ａ）のように、円形の中心からひとつの黒丸で示すアンテナ方向に伸ばした軸と平行な方向の無線局から見た場合には、一部の黒丸は投影面上で重複し、１２個の黒丸に対して白丸は７個になって見えている。この場合、投影面上で重複するアンテナ同士は指向性利得の向上のためには相互に有効に機能できる反面、指向性を形成する上でのチャネル相関の低減のための分解能的には、有効に機能できないことが予想される。
これに対して、図１（ｂ）のように、若干回転した方向の無線局から見た場合には、黒丸で示すアンテナの位置が投影面上で重複せず、ある部分は投影された白丸の間隔が狭く、ある部分は逆に間隔が広くなっている。このばらつきにより、指向性を形成する上でのチャネル相関の低減のための分解能的には、白丸が重複する図１（ａ）の場合より優位であることが予想される。しかし、方向が微妙に変わり、図１（ａ）のように白丸が重複する状態に近づくに従い分解能が低下すると考えられることから、図１（ｂ）の場合であっても、投影（射影）が等間隔になる場合よりは分解能が低くなっているものと考えられる。例えば図１（ａ）の状態に近い場合などは、その特殊性故に、チャネル相関が部分的に大きくなり、空間多重にあまり適さない状態になる。
【００２９】
元来、アンテナを設置する空間的な広がりは大きい方が好ましい。しかし、空間的な広がりが大きいほどアンテナを設置する台座部分が大掛かりになり、より大きな構造物が必要になる。アンテナを狭いところに配置した方が設置する構造物を簡易なもので済ませて、設置費用を低減できる。特性と設置費用とのバランスを考えれば、同程度の広がりの中で配置されたアンテナにおいて、チャネル相関を極力低く抑えることが求められる。
【００３０】
例えば、周波数として５ＧＨｚを想定すると波長は約６ｃｍである。円形に２波長間隔で１００本を並べた場合には、全円周が１２ｍであり半径が約１．９ｍ（直径３．８ｍ）に相当する。アンテナ間隔を２波長間隔としているのは、アンテナ間隔が波長に比べて短くなると、アンテナ毎の独立性が損なわれるからである。近傍のアンテナが結合した状況で動作すると、単純に独立な波が重ね合わされて振幅がＮ倍になることで期待される効果が得られにくい。実際にはアンテナ間隔は、２波長までは必要ではないかもしれない。しかし、アンテナ素子は、少なくとも互いに１／４波長以上離れていることが好ましい。また、アンテナを、１重の円ではなく２重３重の同心円の円周上に配置することで設置部の台座部分の規模を抑えることはできる。しかし、２重３重の同心円の円周上にアンテナを配置すると、方向によっては図１（ａ）のように投影面上でアンテナが重複したり、図１（ｂ）のように投影面上でのアンテナ間隔が不均一になったりすることが予想される。
【００３１】
以上に説明したように、無線局の方角から見た場合に、水平面内における無線局の方角と直交する軸を定めその軸上に各アンテナの位置を投影した際の投影点について、間隔が不均一であったり、見る方向によっては投影点が重複したりすることが問題を招来していた。この問題は、水平面内にアンテナが配置される場合には原理的に回避することができない。しかし、水平面に直交した平面上に２次元的に指向性アンテナを配置し、その平面と水平面との接する軸上に投影した際に間隔の均等化を図ることは可能である。なお、水平面に直交した平面については、この平面に多少の傾斜をつけて、指向性にチルト角を与える構成としてもよい。
【００３２】
図２は、本発明の実施形態における基本原理を示す図である。図２においては、水平面２１、垂直面２２、アンテナ２３ａ〜２３ｉ、投影点２４ａ〜２４ｉが示されている。投影点２４ａ〜２４ｉは、水平面２１と垂直面２２とが接する軸上への各アンテナ２３ａ〜２３ｉの投影点である。アンテナ２３ａ〜２３ｉは指向性アンテナである。アンテナ２３ａ〜２３ｉは、垂直面２２の片側方向（例えば、図中手前方向）に対しては高い指向性利得を示し、その逆方向（例えば、図中奥行方向）に対しては指向性利得が低くなるように設定している。アンテナ２３ａ〜２３ｉの指向性利得パターンは特に限定されない。しかし、例えば垂直面２２の１面でカバーすべきエリアが１２０度（正面に対して左右６０度の範囲）であれば、正面から±６０度の範囲で一様に安定的に高い指向性利得を示し、更に±６０度を超える範囲では急速に指向性利得が下がることが好ましい。つまり、第１のアンテナにおいて、複数のアンテナ素子は指向性アンテナであり、指向性アンテナの最大利得を示す方向を共通とするとともに、指向性アンテナの最大利得を示す方向は平面に垂直な方向である。
【００３３】
各アンテナ２３ａ〜２３ｉは、各々が独立に動作し、複数素子間でアンテナが結合した特性を示さない構成とするために十分な間隔を離して設置される。例えば、任意のアンテナ同士の間隔が１波長以上となるように設置するために、水平方向のアンテナ（２３ａ〜２３ｃ、２３ｄ〜２３ｆ、２３ｇ〜２３ｉ）同士では１波長間隔とし、各段のアンテナ（２３ａ〜２３ｃ、２３ｄ〜２３ｆ、２３ｇ〜２３ｉ）も１波長間隔を離してもよい。
また、垂直面２２は、基本的には水平面２１に直交するものであるが、例えば基地局のアンテナが高所に設置され、全体的にサービスエリアが下方に位置する場合には若干下向きにチルト角を設け、垂直よりも下向きに設置してもよい。
このようにして設置される各アンテナ２３ａ〜２３ｉに対し、水平面２１と垂直面２２との接する軸を定め、その軸上に各アンテナ２３ａ〜２３ｉを投影させた投影点２４ａ〜２４ｉ（射影）が、各々均等に等間隔で配置されるようにすることで、図１（ａ）（ｂ）で示した問題を回避することができる。
【００３４】
図３は、本発明の基本原理の補足を示す図である。図３（ａ）は、設置アンテナを斜め方向から見た構成を示す図である。図３（ｂ）は、設置アンテナを真上方向から見た構成を示す図である。図３（ａ）（ｂ）の黒い四角は指向性アンテナをあらわしている。
【００３５】
図２に示した垂直面２２の平面上に２次元的に配置されたアンテナ２３ａ〜２３ｉは指向性アンテナにより構成されるため、３６０度の全方位に対してサービスを提供することはできない。従って、３６０度のサービス提供、またはひとつの垂直面２２に配置されたアンテナ２３ａ〜２３ｉでカバーできないエリアへのサービス提供を行うためには、垂直面２２を複数面設けてカバーできるエリアを拡張する。
図３（ａ）は、３面構成で各々概ね１２０度の領域を主にカバーする。３面構成ではなく、２面構成や４面以上の構成としてもよい。垂直面２２の各アンテナ素子の関係はここでは規定しないが、基本的に複数面構成とすることで様々な方向の無線局に対しても対応可能な状況を作りだすことができる。
【００３６】
図４は、本発明の実施形態に係る第１のアンテナの例を示す図である。以降の説明では、垂直面２２は水平面２１に直交するものとし（図２参照）、垂直面２２内の水平方向の軸と垂直方向の軸とを明示的に示し、この軸に対するアンテナの配置を説明する。ただし、上述のように、垂直面２２に所定のチルト角を与えることにより水平面２１に対する垂直軸を垂直面２２が含まない場合がある。以下では、このような場合も含めた例として、垂直面２２が水平面２１と直交する状態を一例として選択して説明を行うが、本発明は上述のようにチルト角を持つ場合も含めた一般的な場合を全て包含するものとする。図４においては、黒四角のアンテナ素子１０と、着目すべき場所を示すための丸印のマーカ１１ａ〜１１ｋとが示されている。図４において、アンテナ素子１０は、平面上に２次元配置されている。アンテナ素子１０は、本図では一例として水平方向に１０個並べられ、垂直方向に１０段重ねられて、合計１００個で構成されている。アンテナ素子１０は、各々、指向性アンテナであり、正面方向に高い指向性利得を示す。例えば、水平方向のアンテナ間隔を１波長間隔に設定したとする。図４においては、最左側のアンテナ素子１０の列において、１波長間隔のアンテナ間隔を１０分割した補助線の点線を明記している。１０分割とした理由は、アンテナ素子１０が垂直方向に１０段重ねられたことによる。
【００３７】
マーカ１１ａ及びマーカ１１ｋの箇所の２つのアンテナ素子１０の間隔を１０等分し、下から２段目のマーカ１１ｂの箇所のアンテナ素子１０を、マーカ１１ａのアンテナよりも間隔の１／１０分だけ右側に寄せて配置する。そのアンテナ素子１０から図中右側に向かって隣のアンテナ素子１０を１波長間隔で配置する。同様に、下から３段目に関してはマーカ１１ｃのアンテナ素子１０をマーカ１１ａのアンテナ素子１０よりも間隔の２／１０だけ右側に寄せて配置する。そのアンテナ素子１０から図中右側に向かって隣のアンテナ素子１０を１波長間隔で配置する。このような配置を上段まで繰り返すと、最上段のマーカ１１ｊのアンテナ素子１０の位置から水平方向に間隔の１／１０だけ移動すると、マーカ１１ｋのアンテナの位置に一致するようになる。このため、全ての１００個のアンテナ素子１０を水平方向の軸（射影軸）に投影（射影）すると、投影された位置が均等な間隔となるように全体が構成される。この水平方向の軸は、着目する平面とアンテナ設置時の水平面とが交差する直線で表される所定の射影軸である。なお、図３に示す様に複数の平面により構成される場合には、各平面において個別の射影軸が存在することになる。この射影軸に対して射影した場合に、この射影軸における射影が、互いに重ならず、略等間隔となるように複数のアンテナ素子１０が配置される。この図の例では、水平方向の軸への投影点（射影）は、波長の１／１０間隔となる。多くの場合、アンテナ間隔は１波長以上離れているので、不要なアンテナの結合現象を回避することが可能であり、各アンテナからの波動の重ねあわせとして動作させることができる。
【００３８】
図５は、本発明以外のアンテナの例を示す。図５において、黒四角で表されるアンテナ素子１０は１００個示されている。図５のアンテナは、図２に示した動作原理を考慮した構成とはなっていない。具体的には、図５のアンテナでは、水平方向および垂直方向に各アンテナ素子１０は整列しており、完全な格子上の各格子点にアンテナ素子１０が配置されている。この場合、水平方向の軸に１００個のアンテナ素子１０を投影（射影）すると、各１０個ずつが重複するために、水平方向の分解能が十分に得られないという問題がある。図４の配置パターンは、この問題を解決可能なアンテナパターンとなっている。
【００３９】
図６は、本発明の実施形態に係る第２のアンテナの例を示す図である。図６においては、図４と同様に、黒四角のアンテナ素子１０と、着目すべき場所を示すための丸印のマーカ１２ａ〜１２ｋとが示されている。図６において、アンテナ素子１０は、平面上に２次元配置されている。アンテナ素子１０は、水平方向に１０個並べられ、垂直方向に１０段重ねられて、合計１００個で構成されている。図６において、図４と異なっているのは、図４では各アンテナ素子１０は垂直方向では同一の高さに配置されているが、図６では、マーカ１２ａ〜１２ｋに示す同じ段に属するアンテナ素子１０は垂直方向の位置が異なっていることである。図４の水平方向に対しても、列ごとに間隔の１／１０ずつのオフセットを加え、結果的に水平方向の軸（射影軸）に対する投影点（射影）が等間隔にずれているようにすると、図６の構成となる。図６における水平方向の軸は、基地局からアンテナへの方向に直交する所定の射影軸である。この射影軸に対して射影した場合に、射影軸における射影が、互いに重ならず、略等間隔となるように複数のアンテナ素子１０が配置される。
【００４０】
図６では、垂直方向の軸（射影軸）に対して投影点（射影）を求めると、１００個のアンテナ素子１０が全て均等に配置されている。この結果、水平方向に対する分解能を高めることに加え、垂直方向への分解能も高めることができる。例えば、基地局のアンテナが局舎ビルの屋上のような高所に設置されているとする。図２の垂直面２２に対して同一方向の２台の無線局に対して、例えば一方の無線局が基地局に近く、他方の無線局が基地局から遠い場合を考える。基地局に近い無線局の場合は下方に見下ろす方向に位置し、基地局から遠い無線局の場合には比較的水平方向に位置することになる。この結果、垂直方向の角度差に対して分解能が機能する。これにより、各々のチャネル相関を下げることが可能になる。
【００４１】
図７は、本発明の実施形態に係る第３のアンテナの例を示す図である。図７においては、黒丸で位置を表したアンテナ素子１０が１１３個と、着目すべき場所を示すための丸印のマーカ１３ａ〜１３ｇとが示されている。
図４及び図６においては、各アンテナは図５に示した正方格子状に配置されていたものを平行四辺形状に歪ませる変形を行ってアンテナ素子１０の配置位置を決定した。しかし、図７では、元の配置は正三角形状に最密充填させた位置にアンテナ素子１０を設置している。また、図４及び図６においては、水平軸と垂直軸とを９０度の直交状態から歪ませた状態で各アンテナ素子１０の相対的な位置関係を調整するように変形していた。しかし、図７では、全体の相対的な位置関係をそのままにして全体を回転させることで、水平方向の軸（射影軸）への投影点（射影）を均等化させる。
【００４２】
水平方向に並ぶ各アンテナ素子は、正三角形状に並ぶために、偶数段と奇数段では水平方向の位置が異なる。１段目のマーカ１３ａで示すアンテナ素子１０、２段目のマーカ１３ｇで示すアンテナ素子１０、１１段目（最上段）のマーカ１３ｆで示すアンテナ素子１０に着目する。これらを全体的に時計回りの方向に回転させる。１段目のマーカ１３ａで示すアンテナ素子１０及び２段目のマーカ１３ｇで示すアンテナ素子１０の水平方向の軸への投影点の間隔に対し、１１段目（最上段）のマーカ１３ｆで示すアンテナ素子１０の水平方向の軸への投影点が５／６の位置に来るように設定する。この結果、マーカ１３ａ〜１３ｇで示す各アンテナ素子１０は、水平方向の軸（射影軸）への投影点（射影）が均等に配置されるようになる。また、残りの全てのアンテナ素子１０も、水平方向の軸への投影点が均等に配置されるようになる。アンテナ素子１０は、平面上に２次元配置されている。図７における水平方向の軸は、着目する平面とアンテナ設置時の水平面が交差する直線で表される所定の射影軸である。この水平方向の軸（射影軸）に対して射影した場合に、水平方向の軸（射影軸）における各射影が、互いに重ならず、略等間隔となるように、複数のアンテナ素子１０が配置される。
【００４３】
図７における回転操作の角度は比較的小さい。そのため、回転する前の段階でアンテナの水平偏波方向と水平面が一致するようにアンテナ素子１０を固定し、これを回転させることにより水平偏波方向が実際の運用時の水平面とは傾いた状態で運用することも可能である。しかし、この場合には各アンテナ素子の偏波面が水平・垂直軸から傾いた状態となる。見通し環境での運用では、偏波面は回転せずに伝搬することが期待されるため、偏波を考慮した利得を最大とするために、理想的には図７の黒丸で表される点に水平偏波方向と実際の運用時（アンテナ設置時）の水平面とが一致するように角度を調整してアンテナ素子１０を固定することが好ましい。なお、この配置は図５の場合も同様であり、正方格子をベースとするアンテナを回転させて図７と同様の関係（偏波面の調整も含む）に設定してもよい。なお、以上の記述は各アンテナ素子の偏波特性を水平偏波とすることを意図するものではなく、あくまでも水平偏波と垂直偏波が定義できるアンテナ素子において、偏波特性に依存せずにあくまでも水平偏波の軸方向のみに着目し、この軸方向がアンテナ設置時の水平面に含まれるように設置することを意図している。
ここで注意すべき点は、本発明が想定する基地局のアンテナは固定的に設置されるものであり、本発明は固定的に設置された状態での特性・特徴を規定するものである。したがって、ここで規定する「アンテナ」とは、図４および図６（図７で示されたアンテナ素子の配置で且つ偏波面が水平に調整されている場合を含む）にて例示された部品としてのアンテナに加えて、図５などのアンテナを、図７に示した様に回転させて設置した、固定状態ないしは運用システムとしてのアンテナの両方を含むこととする。また、アンテナ設置時の水平面とは、アンテナが固定的に設置されたときの水平面を意味する。固定前の流通時や運搬時においても、設置用に備えられた部品（取り付け部品など）の配置や大きさや種類や数、作業穴（ねじ穴など）の配置や大きさや種類や数、または取り付け説明書や設計図の記載、各種の案内情報によって、アンテナ設置時の水平面の面方向は明らかとなる。
【００４４】
図８は、本発明の実施形態に係る第１のアンテナの効果をシミュレーションにより評価した結果を示す図である。図８（ａ）は、水平平面内にオムニアンテナを２波長間隔で円形配置した従来技術において、無線局の方位の角度差とチャネル相関との関係（図１１参照）を示す図である。
図８（ｂ）は、第１のアンテナ（アンテナ配置は２波長間隔）において、垂直平面から正面０度方向に基準となる無線局を配置し、正面から０〜９０度の方向に比較対象の無線局を配置したときの無線局の方位の角度差とチャネル相関との関係を示す図である。
図８（ｃ）は、第１のアンテナ（アンテナ配置は２波長間隔）において、垂直平面から正面方向に６０度方向となる方位に基準となる無線局を配置し、その無線局から角度差が０〜１５０度となる方向に比較対象の無線局を配置したときの無線局の方位の角度差とチャネル相関との関係を示す図である。なお、無線局からの角度差が１５０度の時、垂直平面にて横向きの方向を指すことになる。
【００４５】
評価条件としては、各々、アンテナ素子の本数を１００本、周波数５ＧＨｚ、基地局と無線局との距離１００ｍとした。想定した平面アンテナの指向性利得パターンは、正面に対し±３０度の範囲で最大利得、３０度から６０度の範囲では最大利得から線形に−５ｄＢ減少する。６０度から９０度の範囲では最大利得−５ｄＢから線形に−１０ｄＢまで減少し、９０度以上（裏面方向）では利得がマイナス無限大である。第１のアンテナにおいて、複数のアンテナ素子は指向性アンテナであり、指向性アンテナの最大利得を示す方向を共通とするとともに、指向性アンテナの最大利得を示す方向は平面に垂直な方向である。
【００４６】
図８（ａ）〜（ｃ）では、比較のために、チャネル相関が０．１となるラインに点線を示した。図８（ａ）では、角度差が概ね１５度程度で一旦チャネル相関が０．１以下となるが、３０度を越えた辺りからランダムにチャネル相関が増減し、時折、０．２を超える高いチャネル相関となる点が見られる。つまり、図８（ａ）では、角度差に関係なくある確率でチャネル相関が０．１以上となる傾向が見られる。
これに対して、図８（ｂ）及び図８（ｃ）では、両者に若干の振る舞いの差はあるが、より条件の厳しい図８（ｃ）においても、角度差が１５度以上となるとチャネル相関は急速に減衰し、常に０．１を下回る。
【００４７】
本発明のアンテナは、無線チャネルを介して端末局との通信を行う基地局装置に適用することができる。スケジューリング方式（非特許文献４参照）では、各無線局が所定の角度差以上となるように同時に空間多重を行う無線局を選択する。そのため、より確実に、かつ、より低く、チャネル相関を低減することが可能になる。チャネル相関の低減は、通信の安定性、高ＳＩＮＲ特性を実現する。これにより、より高い空間多重数で通信を行うことで通信容量を更に増大させることができる。
【００４８】
上記の説明においては、図２に代表されるように、各アンテナ素子は垂直面上に設置されるとしたが、垂直面は厳密な意味での平面である必要はない。垂直面は、概ね平面と近似できる範囲で緩やかな曲面を構成していたとしてもよい。そのような近似的な平面（準平面）上にアンテナ素子の位置を投影した点をアンテナ素子の位置として捉え直せば、同様の効果を期待することが可能である。また、この場合には着目する準平面とアンテナ設置時の水平面との交わりが直線でなくなる場合がある。この場合には、逆に準平面に近似可能な平面を定め、その平面と設置時の水平面が交差する直線で表される軸を所定の射影軸と見なせば同様の議論が可能となる。
【００４９】
また、上記の説明では、垂直平面における２次元的なアンテナ素子の配置は、正方格子や正三角形状に最密充填させた格子のような規則的な配置を基準とし、その配置の座標軸を歪めたり回転したりするなどの処理を施すことで投影点（射影）の間隔の均等化を図っていた。しかし、投影点の間隔の均等化が図れるならば、配置の設定手順や設定方法は任意である。
【００５０】
また、上記の説明では、垂直平面と水平平面との接する水平方向の軸（射影軸）上への投影点（射影）が等間隔になるものとして説明した。しかし、全てのアンテナ素子の投影点の間隔が完全に均等になっている必要はない。例えば、水平方向の軸上への投影点の平均の間隔に対し、着目する垂直平面のアンテナ素子がカバーするエリアの範囲（例えば、図３の例では、正面方向に対して±６０度の合計１２０度の範囲に相当）における投影を考える。この場合、どの方向においても９０％以上の投影点間隔が±１０％以内の誤差の範囲に収まっていれば概ね目的のチャネル相関特性を得ることが可能である。つまり、射影軸における各射影が、１０％の誤差の範囲内で等間隔となるように、複数のアンテナ素子を配置することが好ましい。この投影点（射影）の間隔の定義において、二つのアンテナ素子の投影点（射影）が一致する場合には、投影点間隔がゼロであるものとみなす。
【００５１】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計も含まれる。なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０…アンテナ素子，  ２１…水平面，  ２２…垂直面（平面）
【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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