(57)【要約】【課題】ＲＦ回路の系統数を増やすことなく、チャネル相関を抑制する。【解決手段】複数のアンテナ５１〜６６，７１〜８６と、送受信信号の指向性制御を行う複数のＲＦ(Radio Frequency)回路９２ａ〜９２ｐ及びベースバンド処理回路９３を備えるアンテナであって、アンテナ５１〜６６，７１〜８６は、垂直平面５０及び垂直平面７０上に設置されるとともに、垂直平面５０及び垂直平面７０の間で分配結合器９１ａ〜９１ｐを介して合成されてＲＦ回路９２ａ〜９２ｐの各々に接続し、同一の分配結合器９１ａ〜９１ｐに接続される垂直平面５０のアンテナ５１〜６６と垂直平面７０のアンテナ７１〜８６の各々は、垂直平面５０及び垂直平面７０において互いに対応する位置に配置されていない。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子に接続され、送受信信号の指向性制御を行う複数のＲＦ(Radio Frequency)回路及びベースバンド処理回路を備えるアンテナであって、
前記アンテナ素子は、複数面の、水平面とは異なる平面または該平面に近似可能な曲面である準平面上に設置されるとともに、前記複数面の間で分配結合器を介して合成されて前記ＲＦ回路の各々に接続し、
同一の前記分配結合器に接続される前記アンテナ素子の各々は、前記複数面において互いに対応する位置に配置されていないアンテナ。
【請求項２】
前記アンテナ素子は、２つの平面または準平面上にて行方向及び当該行方向と直交する段方向に２次元的に配置され、
同一の前記分配結合器に接続される前記アンテナ素子の各々が配置される段が、前記２つの平面または準平面上にて前記行方向を反転軸として前記段方向に互いに反転した位置に配置されている請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
同一の前記分配結合器に接続される前記アンテナ素子の各々は、前記２つの平面または準平面上にて前記行方向において互いに対応する位置に配置されている請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記アンテナ素子は、２つの平面または準平面上の行方向及び行方向と直交する段方向に２次元的に配置され、
同一の前記分配結合器に接続される前記アンテナ素子の各々は、前記複数面において互いに無関係な位置に配置されている請求項１に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記アンテナ素子は、互いに１／４波長以上離れている請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナ。
【請求項６】
請求項１から５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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ及び基地局装置に関し、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】
2014230258.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ここでは「→」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】
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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】
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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】
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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で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】
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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、高所にあり、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）に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】
2014230258.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に、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。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２５度程度までは安定的に相関値が低い。しかし、角度差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及び基地局装置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と、前記複数のアンテナ素子に接続され、送受信信号の指向性制御を行う複数のＲＦ(Radio Frequency)回路及びベースバンド処理回路を備えるアンテナであって、前記アンテナ素子は、複数面の、水平面とは異なる平面または該平面に近似可能な曲面である準平面上に設置されるとともに、前記複数面の間で分配結合器を介して合成されて前記ＲＦ回路の各々に接続し、同一の前記分配結合器に接続される前記アンテナ素子の各々は、前記複数面において互いに対応する位置に配置されていない。
【００１８】
また、本発明の一態様においては、前記アンテナ素子は、２つの平面または準平面上にて行方向及び当該行方向と直交する段方向に２次元的に配置され、同一の前記分配結合器に接続される前記アンテナ素子の各々が配置される段が、前記２つの平面または準平面上にて前記行方向を反転軸として前記段方向に互いに反転した位置に配置されている。
【００１９】
また、本発明の一態様においては、同一の前記分配結合器に接続される前記アンテナ素子の各々は、前記２つの平面または準平面上にて前記行方向において互いに対応する位置に配置されている。
【００２０】
また、本発明の一態様においては、前記アンテナ素子は、２つの平面または準平面上の行方向及び行方向と直交する段方向に２次元的に配置され、同一の前記分配結合器に接続される前記アンテナ素子の各々は、前記複数面において互いに無関係な位置に配置されている。
【００２１】
また、本発明の一態様においては、前記アンテナ素子は、互いに１／４波長以上離れている。
【００２２】
また、本発明の一態様は、前記アンテナを備え、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。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ＲＦ回路の系統数を増やすことなく、チャネル相関を抑制することができる。
【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】本発明の関連技術における基本原理の図を示す図である。
【図３】本発明の関連技術における基本原理の補足を示す図である。
【図４】複数の垂直平面のアンテナのアナログ合成の例を示す図である。
【図５】二つの垂直平面に設置されたアンテナが形成する指向性ビームの概要を示す図である。
【図６】第１のアンテナの例を示す図である。
【図７】第２のアンテナの例を示す図である。
【図８】第３のアンテナの例を示す図である。
【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】
〔１．本発明の着想〕
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(Radio Frequency)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、あまり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、本発明の関連技術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。
【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が、各々均等に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、本発明の関連技術における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。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２に示すアンテナ構成を、図３（ａ）（ｂ）に示すように複数面（図中では３面）に組み上げた場合、その分だけ合計のアンテナ素子数が増える。元来、大規模アンテナシステムでは、多くのアンテナを実装して信号の特性を改善するために、より多くのアンテナが同位相合成に関与することが好ましい。しかし、図３（ａ）（ｂ）に示す構成では、実際には全体のアンテナの１／３（１面分）のアンテナしか同位相合成には関与できないため、各アンテナに１対１に対応する形でＲＦ回路を用意した場合には、ＲＦ回路の系統数分の大規模アンテナシステムの特性を出し切ることができない。なお、ＲＦ回路は、ＴＤＤ(Time Division Duplex)スイッチ、ＨＰＡ(High Power. Amplifier)、ＬＮＡ(Low Noise Amplifier)、周波数変換器、フィルタ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等で構成される。
【００３７】
アンテナの本数とＲＦ回路の系統数とを同一とするために、図３（ｂ）のような複数の垂直平面が構成する各セクタ領域の各々のアンテナをアナログ的に分配結合器で直接結合する方法が考えられる。図４は、複数の垂直平面のアンテナのアナログ合成の例を示す図である。図４の例では、簡単のために、１８０度ずつをカバーする二つの垂直平面でサービスを行う場合を考える。図４においては、アンテナ素子を取り付けた二つの垂直平面５０及び７０、アンテナ５１〜６６及び７１〜８６、分配結合器９１ａ〜９１ｐ、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐ、ベースバンド処理回路９３が示されている。図４では、ベースバンド処理回路９３は、簡単のために、各ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐの信号を処理する回路として単一の機能ブロックで示されている。また、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐ及びベースバンド処理回路９３はそれぞれ、送信及び受信の機能を備えている。
【００３８】
例えば、信号を送信する場合、ベースバンド処理回路９３は、所定の送信信号に指向性制御の符号化処理を施し、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐに対応した信号を出力する。ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐは、内部の処理機能により、Ｄ／Ａ変換器でデジタルベースバンド信号をアナログ信号に変換し、周波数変換器で無線周波数にアップコンバートする。ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐは、帯域外信号をフィルタで除去した後にＨＰＡで信号増幅し、ＴＤＤスイッチを経由して信号をアンテナ側に出力する。この出力信号は、分配結合器９１ａ〜９１ｐにて各々複数系統の同一の信号に分岐され、各々がアンテナ素子を取り付けた二つの垂直平面５０及び７０に出力される。各分配結合器９１ａ〜９１ｐと垂直平面５０内の各アンテナ５１〜６６及び垂直平面７０内の各アンテナ７１〜８６との接続関係を示すために、アルファベットで「ａ」〜「ｐ」の対応を示している。各分配結合器９１ａ〜９１ｐの接続では、垂直平面５０内の各アンテナ５１〜６６と垂直平面７０内の各アンテナ７１〜８６とで互いに対応する位置に配置されているアンテナ同士が結ばれるように接続されている。換言すれば、各分配結合器９１ａ〜９１ｐからの接続は、垂直平面５０内の各アンテナ５１〜６６と垂直平面７０内の各アンテナ７１〜８６とで各々幾何学的に対応したアンテナに接続されている。
【００３９】
同様に信号を受信する際には、垂直平面５０内の各アンテナ５１〜６６と垂直平面７０内の各アンテナ７１〜８６とで受信された信号は、それぞれ各分配結合器９１ａ〜９１ｐに入力され、アナログ信号として単純合成される。合成された信号は、対応したＲＦ回路９２ａ〜９２ｐに対して出力され、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐの内部の処理機能により、ＴＤＤスイッチを経由してＬＮＡで信号増幅され、必要に応じてフィルタで帯域外信号を除去される。その信号は、周波数変換器によりアナログベースバンド信号にダウンコンバートされ、フィルタで帯域外信号を除去されてＡ／Ｄ変換器でデジタルベースバンド信号に変換される。そして、信号はベースバンド信号処理回路９３に出力される。ベースバンド信号処理回路９３では、各ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐに対応した信号系列に対して所定の処理を施し、信号分離の後に信号検出処理を行う。送受信に関する一連の信号処理は、一般的な信号処理であり、様々なシステムに対しても共通の説明が可能である。
【００４０】
図５は、二つの垂直平面に設置されたアンテナが形成する指向性ビームの概要を示す図である。図５では、一例として複数のアンテナが設置された二つの垂直平面に着目して説明を行うため、二つの垂直平面を背中合わせに貼り付けた構成を示した。しかし、例えば、図３（ａ）（ｂ）のように、１２０度ずつのエリアをカバーしながら、そのうちの一面を利用しないようなケースも同様に説明可能であるし、３面以上の垂直平面を用いる場合でも類似の説明が可能である。
【００４１】
原理的には、分配結合器９１ａ〜９１ｐと各アンテナ５１〜６６及び７１〜８６との接続における複素位相及び振幅の変化が同一であれば、二つの垂直平面上のアンテナが形成するビームパターンは同一である。図５の左側領域（第１セクタ領域）に存在する或る無線局に指向性ビームを形成しようとすると、その方向と対照的な方向にも同様の指向性ビームが形成される。つまり、図５の右側領域（第２セクタ領域）における矢印に示す方向に同時に空間多重を行う無線局が存在する場合、無線局間のチャネル情報の相関は非常に高いものとなる。図１２に示したチャネル相関の図の例で言えば、角度が１８０度近く離れたところにも、高いチャネル相関を示す領域が生じてしまう。
このため、本発明では、図２及び図３に示した構成のアンテナを用いる場合に、より少ないＲＦ系統数で大規模アンテナシステムの特性を引き出しながら、方向に依存したチャネル相関を抑えた運用を可能とするための技術を提案する。
【００４２】
〔２．第１のアンテナ〕
図６は、第１のアンテナの例を示す図である。図６においては、アンテナ素子を取り付けた二つの垂直平面５０及び７０、アンテナ５１〜６６及び７１〜８６（アンテナ素子）、分配結合器９１ａ〜９１ｐ、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐ、ベースバンド処理回路９３が示されている。以上の各構成は図４と同一である。図６は、垂直平面５０内の各アンテナ５１〜６６と垂直平面７０内の各アンテナ７１〜８６が分配結合器９１ａ〜９１ｐで合成される際の組み合わせパターンが、図４の場合とは異なる。各分配結合器９１ａ〜９１ｐと垂直平面５０内の各アンテナ５１〜６６及び垂直平面７０内の各アンテナ７１〜８６との接続関係を示すために、アルファベットで「ａ」〜「ｐ」の対応を示している。
【００４３】
具体的には、分配結合器９１ａ〜９１ｄにて結合されるのは、垂直平面５０内の下から１段目の各アンテナ５１〜５４と垂直平面７０内の上から１段目の各アンテナ８３〜８６である。分配結合器９１ｅ〜９１ｈにて結合されるのは、垂直平面５０内の下から２段目の各アンテナ５５〜５８と垂直平面７０内の上から２段目の各アンテナ７９〜８２である。分配結合器９１ｉ〜９１ｌにて結合されるのは、垂直平面５０内の下から３段目の各アンテナ５９〜６２と垂直平面７０内の上から３段目の各アンテナ７５〜７８である。分配結合器９１ｍ〜９１ｐにて結合されるのは、垂直平面５０内の下から４段目の各アンテナ６３〜６６と垂直平面７０内の上から４段目の各アンテナ７１〜７４である。
【００４４】
各垂直平面５０及び７０に設置されたアンテナ５１〜６６及び７１〜８６は、垂直方向の広がりを持つ。そのために、形成される指向性ビームは水平方向に加えて垂直方向に対しても幅の狭い指向性ビームとなっている。基地局がビルの屋上等の高所に設置されている場合には、図５に示した第１セクタ領域内の無線局に向けた指向性ビームは僅かに下向きのビームとなっている。この状況は、図５の右側に示した第２セクタ領域でも同様に現れる。しかし、図６では、垂直平面５０内の各アンテナ５１〜６６と垂直平面７０内の各アンテナ７１〜８６は上下が反転した状態で分配結合器９１−ｉ〜９１−ｐにて結合されるので、形成される指向性ビームは第２セクタ領域では上向きとなる。
この垂直方向の分解能が十分なものであれば、水平平面内で見れば似通った方向に強いチャネル相関を示すビームが形成されているが、実際には垂直方向の上下の角度差があるためにチャネル相関は低く抑えられる。
【００４５】
〔３．第２のアンテナ〕
図７は、第２のアンテナの例を示す図である。図４及び図６との相違点は、二つの垂直平面５０及び７０のアンテナの結合パターンがランダムになっていることである。各分配結合器９１ａ〜９１ｐと垂直平面５０内の各アンテナ５１〜６６及び垂直平面７０内の各アンテナ７１〜８６との接続関係を示すために、アルファベットで「ａ」〜「ｐ」の対応を示している。
【００４６】
具体的には、分配結合器９１ａにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ５１と垂直平面７０内のアンテナ８１である。分配結合器９１ｂにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ５２と垂直平面７０内のアンテナ７４である。分配結合器９１ｃにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ５３と垂直平面７０内のアンテナ７６である。分配結合器９１ｄにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ５４と垂直平面７０内のアンテナ７９である。分配結合器９１ｅにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ５５と垂直平面７０内のアンテナ８６である。分配結合器９１ｆにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ５６と垂直平面７０内のアンテナ８０である。分配結合器９１ｇにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ５７と垂直平面７０内のアンテナ８４である。分配結合器９１ｈにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ５８と垂直平面７０内のアンテナ８３である。分配結合器９１ｉにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ５９と垂直平面７０内のアンテナ７１である。分配結合器９１ｊにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ６０と垂直平面７０内のアンテナ７５である。分配結合器９１ｋにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ６１と垂直平面７０内のアンテナ８５である。分配結合器９１ｌにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ６２と垂直平面７０内のアンテナ７８である。分配結合器９１ｍにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ６３と垂直平面７０内のアンテナ７７である。分配結合器９１ｎにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ６４と垂直平面７０内のアンテナ７２である。分配結合器９１ｏにて結合されるのは垂直平面５０内のアンテナ６５と垂直平面７０内のアンテナ７３である。分配結合器９１ｐにて結合されるのは、垂直平面５０内のアンテナ６６と垂直平面７０内のアンテナ８２である。
【００４７】
上記の結合の組み合わせには規則性がなく、全くランダムである。換言すれば、同一の分配結合器に接続されるアンテナ素子の各々は、複数面において互いに無関係な位置に配置されている。そのために、垂直平面５０での幾何学的な位置関係の特徴を利用して形成される図５の第１セクタ領域の指向性ビームに対して、第２セクタ領域において指向性利得の高いビームは確率的に形成され難い。
【００４８】
〔４．第３のアンテナ〕
図８は、第３のアンテナの例を示す図である。図４、図６、及び図７との相違点は、二つの垂直平面５０及び７０のアンテナの結合パターンが垂直方向（段方向）に関しては図６と同様に上下が対称（反転の関係）になっている一方、水平方向に関してはランダムな関係になっていることである。各分配結合器９１ａ〜９１ｐと垂直平面５０内の各アンテナ５１〜６６及び垂直平面７０内の各アンテナ７１〜８６との接続関係を示すために、アルファベットで「ａ」〜「ｐ」の対応を示している。
【００４９】
具体的には、分配結合器９１ａ〜９１ｄにて結合されるのは、垂直平面５０内の下から１段目の各アンテナ５１〜５４と垂直平面７０内の上から１段目の各アンテナ８３〜８６を８４、８６、８３、８５の順番に並べ替えたものである。分配結合器９１ｅ〜９１ｈにて結合されるのは、垂直平面５０内の下から２段目の各アンテナ５５〜５８と垂直平面７０内の上から２段目の各アンテナ７９〜８２を８２、８０、７９、８１の順番に並べ替えたものである。分配結合器９１ｉ〜９１ｌにて結合されるのは、垂直平面５０内の下から３段目の各アンテナ５９〜６２と垂直平面７０内の上から３段目の各アンテナ７５〜７８を７６、７５、７８、７７の順番に並べ替えたものである。分配結合器９１ｍ〜９１ｐにて結合されるのは、垂直平面５０内の下から４段目の各アンテナ６３〜６６と垂直平面７０内の上から４段目の各アンテナ７１〜７４を７３、７２、７１、７４の順番に並べ替えたものである。
【００５０】
このように配置することによって、各垂直平面にて下向きの方向の無線局に指向性ビームを形成すると、他の面ではランダムな組み合わせでチャネル相関を低減しながらも、僅かに残るチャネル相関も垂直方向の下向きと上向きの差で実質的な無線局間のチャネル相関を低減することが可能になる。
【００５１】
上記の第１〜第３のアンテナによれば、ＲＦ回路の系統数を増やすことなく、チャネル相関を抑制することができる。
【００５２】
なお、本発明は、第１〜第３のアンテナに限定されるものではなく、垂直平面５０内の各アンテナ５１〜６６と垂直平面７０内の各アンテナ７１〜８６とが分配結合器９１ａ〜９１ｐで合成される際の組み合わせパターンを、図４とは異なる組み合わせとしたものを広く含む。換言すれば、本発明は、同一の分配結合器に接続されるアンテナ素子の各々が、複数の平面上または準平面上において互いに対応する位置に配置されていない構造を広く含むものである。なお、準平面とは、平面にわずかな曲率を与えた曲面など、平面に近似可能な曲面のことである。
【００５３】
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】
【００５４】
５０…垂直平面，  ５１〜６６…アンテナ（アンテナ素子），  ７０…垂直平面，  ７１〜８６…アンテナ（アンテナ素子），  ９１ａ〜９１ｐ…分配結合器，  ９２ａ〜９２ｐ…ＲＦ回路，  ９３…ベースバンド処理回路
【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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