(57)【要約】【課題】  垂直面内の指向性制御を行う適応アレーアンテナに適切なチルト角を設定し、多くのアンテナ設置スペースを要しないアンテナ装置を得ること。【解決手段】  アンテナ装置３００は、１つの給電端子と該給電端子に接続された１以上のアンテナ素子とを有するサブアレーを複数個含むコリニアアレーアンテナ手段３０２と、所与のチルト角θｔの下で、指向性を定める重み係数を適応的に算出する適応処理手段３０６と、複数のサブアレーの個々の給電端子を通過する信号を、前記重み係数で重み付けする手段３１２，３２２とを備える。前記適応処理手段は、セル半径及び無線基地局のアンテナ高度の比率で定まる見込み角ψに、所定の範囲内の数値ｃを乗算し、前記チルト角θｔを求める。【選択図】  図３
2006060682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの給電端子と該給電端子に接続された１以上のアンテナ素子とを有するサブアレーを複数個含むコリニアアレーアンテナ手段と、
所与のチルト角の下で、指向性を定める重み係数を適応的に算出する適応処理手段と、
複数のサブアレーの個々の給電端子を通過する信号を、前記重み係数で重み付けする手段と、
を備え、前記コリニアアレーアンテナ手段は、セル半径及び無線基地局のアンテナ高度の比率で定まる見込み角に、所定の範囲内の数値を乗算し、前記チルト角を求める
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記所定の範囲内の数値は、見込み角が増えると減少する性質を有する
ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記所定の範囲内の数値は、所与の見込み角について、接続されるユーザ数を増やすように定められる
ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記所定の範囲は、２．２乃至５．５の数値範囲である
ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項５】
見込み角が増えるとチルト角も増えるように、前記チルト角が設定される
ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項６】
サブアレー数が増えるとチルト角も増えるように、前記チルト角が設定される
ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記複数のサブアレーは、チルト角を定める垂直面内に並べられる
ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記コリニアアレーアンテナ手段が複数個設けられ、空間ダイバーシチが行なわれる
ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記アンテナ素子が、反射板付きダイポールアンテナから構成される
ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にセルラ方式の無線通信の技術分野に関し、特に無線基地局のアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の技術分野では、無線リソースを効率的に使用するため、セル内にできるだけ多くのユーザを収容することが望まれる。収容可能なユーザ数、即ち回線容量を増やす技術として、適応アレーアンテナ制御が挙げられる。これは、指向性を適応的に変化させることが可能なアンテナ装置を設け、ユーザ毎に指向性を合わせるものである。その結果、無線基地局は少ない送信電力でユーザに電波を送信でき、且つ移動端末の送信電力も少なくて済む。
【０００３】
また、無線基地局からの電波をなるべく自セル内に閉じこめ、他セルへの干渉を抑制することで、回線容量を増やすこともできる。これは、アンテナの垂直面内指向性をチルト角だけ傾けることによって実現され、ビームチルティングとも呼ばれる。図１に示されるように、チルト角θｔは、無線基地局のアンテナ高さＨｂｓとユーザまでの距離Ｄとの比率（Ｈｂｓ／Ｄ）で定まる。具体的には、θｔ＝ｔａｎ−１（Ｈｂｓ／Ｄ）である。距離Ｄが、セル端までの距離（即ち、セル半径）Ｌに等しい場合のチルト角は、見込み角と呼ばれる。
【０００４】
図２は、ビームチルティングを行なうアンテナ装置の一部を示す。概して、図には、Ｎ個の放射素子２０２−１〜Ｎを有するプリント基板２０４と、給電箱２０６とが示されている。いくつかの放射素子は１つのサブアレーを構成し、図示の例では、破線枠で示されるように、４つの放射素子で１つのサブアレーが形成される。サブアレーの各々に対して１つの給電端子が設けられ、図示の例では、Ｋ（＝Ｎ／４）個の給電端子２０８−１〜Ｋがプリント基板２０４に設けられている。サブアレーは、１以上の電力分配器２１２を有し、この電力分配器２１２及び給電線路を通じて、給電端子及び放射素子が互いに接続される。図中、給電線路は、直線、折れ線又は波線で示され、破線の給電線路は信号の位相を一定量だけ進ませる又は遅らせる機能を有する。給電箱２０６は、１つの入出力端子２１８と、Ｋ個の端子２２０−１〜Ｋを有する。Ｋ個の端子２２０−１〜Ｋは、同軸ケーブル２１０−１〜Ｋを介して給電端子２０８−１〜Ｋにそれぞれ接続される。入出力端子２１８及び端子２２０−１〜Ｋの間も給電線路で接続される。この給電線路も、直線又は波線で図示され、波線の給電線路は、信号の位相を一定量だけ進退させる。
【０００５】
放射素子により送受信される信号は、給電箱２０６及びプリント基板２０４を経由して、入出力端子２１８を通じて送受信される。給電箱２０６内の給電線路の位相を適切に調整することで、アンテナの指向性に所望のチルト角θｔを与えることができる。この種の技術については、例えば、特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平１１−２９８２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の適応アレーアンテナは、アンテナ素子を水平方向に並べることに起因して、多くの設置スペースを必要とする。空間ダイバーシチが行なわれる場合には、ブランチ間の相関が十分低下する程度に離してダイバーシチブランチ数の適応アレーアンテナを設ける必要があり、更に多くの設置スペースを必要とする。このことは、アンテナ装置及びそれを利用する無線基地局等の装置規模を小型化する観点からは不都合である。
【０００７】
また、従来のビームチルティングでは、チルト角は固定的に定められている（図２に示される給電線路の長さ等の属性は不変である）。従って、設定されているチルト角が、実際の通信環境の回線容量を増やすことに充分に貢献しないかもしれない。
【０００８】
本発明は、上記問題点の少なくとも１つに対処するためになされたものであり、その課題は、変化する通信環境に適切なチルト角を設定し、多くのアンテナ設置スペースを要しないアンテナ装置を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、
１つの給電端子と該給電端子に接続された１以上のアンテナ素子とを有するサブアレーを複数個含むコリニアアレーアンテナ手段と、
所与のチルト角の下で、指向性を定める重み係数を適応的に算出する適応処理手段と、
複数のサブアレーの個々の給電端子を通過する信号を、前記重み係数で重み付けする手段と、
を備え、前記コリニアアレーアンテナ手段は、セル半径及び無線基地局のアンテナ高度の比率で定まる見込み角に、所定の範囲内の数値を乗算し、前記チルト角を求める
ことを特徴とするアンテナ装置
が用いられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のアンテナ装置によれば、垂直面内の指向性制御を行う適応アレーアンテナに適切なチルト角を設定でき、設置スペースも少なくて済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の一態様によれば、コリニアアレーアンテナ手段に、複数のサブアレーが含まれ、そのサブアレーの各々が、１つの給電端子に接続された１以上のアンテナ素子を有する。給電端子の各々を通過する信号は、適応的に算出された重み係数で重み付けされる。チルト角は、セル半径及び無線基地局のアンテナ高度の比率で定まる見込み角に、所定の範囲内の数値を乗算することで求められる。本発明の一態様では、複数のサブアレーは、チルト角を定める垂直面内に並べられる。
【００１２】
適応アレーアンテナの複数の放射素子をコリニアアレーアンテナ手段として設けるので、放射素子の設置スペースを節約することができる。放射素子の軸に直角にそれらを並べると（はしご状に並べると）、立体的に多くの場所を要するが、放射素子の軸に沿ってそれらを並べると、平面的なコンパクトなスペースで済む。見込み角及びチルト角の間の相互関係を利用するので、変化する通信環境に適切なチルト角を設定できる。
【００１３】
本発明の一態様では、サブアレー内のアンテナ素子が、反射板付きダイポールアンテナから構成される。これにより、更なる小型化及び軽量化を図ることができる。
【００１４】
本発明の一態様では、所定の範囲内の数値は、見込み角の増加と共に増える性質を有する。本発明の一態様では、所定の範囲内の数値は、所与の見込み角について、接続されるユーザ数を増やすように定められる。本発明の一態様では、前記所定の範囲は、２．２乃至５．５の数値範囲である。本発明の一態様では、チルト角は、前記見込み角が増加すると減少するように設定される。本発明の一態様では、チルト角は、サブアレー数が増えるほど増加するように設定される。
【００１５】
本発明の一態様では、コリニアアレーアンテナ手段が複数個設けられ、空間ダイバーシチが行なわれる。
【実施例１】
【００１６】
図３は、本発明の一実施例で使用されるアンテナ装置３００を示す。このアンテナ装置は、本実施例ではセルラ通信システムの無線基地局に設けられるが、他の装置に設けられてもよい。このアンテナ装置３００は、第１のコリニアアレーアンテナ３０２−１と、第２のコリニアアレーアンテナ３０２−２と、第１群のウエイト設定部３１２−１〜４と、第２群のウエイト設定部３２２−１〜４と、合成部３０４と、適応処理部３０６とを有する。第１のコリニアアレーアンテナ３０２−１は、４つのサブアレー３１４−１〜４を有する。第２のコリニアアレーアンテナ３０２−２も、４つのサブアレー３２４−１〜４を有する。簡単のため、受信側のアンテナ装置の様子が描かれているが、送信側についても同様に構成できる。
【００１７】
第１及び第２のコリニアアレーアンテナ３０２−１，２は、それらに含まれる複数の放射素子が垂直方向に軸を揃えて並ぶように形成される。２つのコリニアアレーアンテナは、空間ダイバーシチが行なわれるように、互いに非相関であるように設けられる。本実施例では、それらは水平方向に２０波長程度の距離を隔てて設けられる。
【００１８】
図４は、コリニアアレーアンテナの詳細を示す図である。第１及び第２のコリニアアレーアンテナの構成及び動作は同様であるので、第１のコリニアアレーアンテナ３０２−１がそれらを代表して説明される。図には、Ｎ個の放射素子４０２−１〜Ｎを有するプリント基板４０４が示されている。図３の例では、Ｎ＝１６である。いくつかの放射素子は１つのサブアレーを構成し、図３の例では、破線枠で示されるように、４つの放射素子で１つのサブアレーが形成される。サブアレーの各々に対して１つの給電端子が設けられ、図示の例では、Ｋ（＝Ｎ／４）個の給電端子４０８−１〜Ｋがプリント基板４０４に設けられている。サブアレーは、１以上の電力分配器４１２を有し、この電力分配器４１２及び給電線路を通じて、給電端子及び放射素子が互いに接続される。図中、給電線路は、直線、折れ線又は波線で示され、破線の給電線路は信号の位相を一定量だけ進ませる又は遅らせる機能を有する。サブアレー内で設定されている位相の進み又は遅れは、図２に示されるような従来法と同様に固定的に設定される。ここで、サブアレー内で設定される位相量は、サブアレー指向性のピーク方向が所定のチルト角θｔとなるように設定される。Ｋ個の給電端子４０８−１〜Ｋは、同軸ケーブル４１０−１〜Ｋを介してウエイト設定部３１２−１〜Ｋに接続される。
【００１９】
放射素子により送受信される信号は、プリント基板４０４を経由して、給電端子４０８−１〜Ｋを通じて送受信される。給電端子４０８−１〜Ｋを通じて伝送される信号の位相を（又は振幅及び位相を）適応的に調整することで、所与のチルト角における適切な指向性を実現できる。図２に示されるような従来の構成では、サブアレー間の相対的な位相関係は、給電箱２０６内で固定的に設定されているが、本実施例では、サブアレー間の相対的な位相等の関係が適応的に制御される。その結果、サブアレーの各々からの指向性が、適応的に合成される。従来もサブアレー毎の指向性は形成されるが、それらの合成における相対的な位相関係は１通りしかなく、本実施例と大きく異なる。
【００２０】
図３の第１のウエイト設定部３１２−１〜４は、第１のコリニアアレーアンテナ３０２−１からの受信信号ｘ１（ｔ）〜ｘ４（ｔ）にウエイトｗ１〜ｗ４をそれぞれ与える。個々のウエイト設定部は、例えば複素乗算器で構成してもよい。同様に、第２のウエイト設定部３２２−１〜４は、第２のコリニアアレーアンテナ３０２−２からの受信信号ｘ５（ｔ）〜ｘ８（ｔ）にウエイトｗ５〜ｗ８をそれぞれ与える。
【００２１】
合成部３０４は、重み付けされた受信信号を合成し、合成信号ｙ（ｔ）を出力する。合成信号ｙ（ｔ）は、後段の復調処理部（図示せず）に伝送されることに加えて、適応処理部３０６にも与えられる。
【００２２】
適応処理部３０６は、重み付けされる前の受信信号ｘ１（ｔ）〜ｘ８（ｔ）と、合成信号ｙ（ｔ）と、パラメータ情報に基づいて、適切なウエイトｗ１〜ｗ８を算出し、それらをウエイト設定部３１２−１〜８にそれぞれ与える。
【００２３】
動作を次に説明する。アンテナ装置３００は、概して、セル内のユーザ毎に指向性を合わせながら無線通信を行うのに使用される。但し、本実施例では、アンテナ装置の垂直面内方向について、チルト角に配慮した指向性の適応制御が行なわれ、水平面内方向については、空間ダイバーシチが行なわれる。先ず、コリニアアレーアンテナ３０２−１，２で受信した信号は、プリント基板内の移相用線路によってサブアレー毎に所定のチルト角となるように位相量が設定される。各サブアレー出力は、重み付けされた後に合成され、適応処理部３０６に入力される。適応処理部３０６では、指向性を決定するウエイト（重み係数）が算出される。この場合において、サブアレー３１４は、見込み角ψに、所定の数値範囲内の係数ｃを乗算することで、チルト角θｔを求める。
【００２４】
θｔ＝ｃ×ψ
所定の数値範囲内の係数ｃは、所与の見込み角に対して、回線容量が最大になるように設定される。この係数と見込み角の関係は、予め行なわれたシミュレーションにより求められている。なお、サブアレー内で所定のチルト角を実現する位相量は、図４に示す移相用線路により設定することが一般的であるが、可変位相器により設定してもよい。その結果は、メモリに記憶されている。このシミュレーションについては後述される。
【００２５】
上記のように算出されたチルト角の下で、所与のユーザに関する信号品質（例えば、ＳＩＲ，ＳＩＮＲ等）が良くなるように、重み係数の適応制御が行なわれる。この適応制御に使用される最適化アルゴリズムについては、既存のものが使用される。この場合において、非希望波にヌルを向けるように指向性を制御するよりも、希望波が大きくなるように指向性を制御することが望ましい。なぜなら、適応アレーアンテナに含まれるアンテナ素子数（本実施例では、サブアレー数）をＭとすると、指向性パターンにおけるヌル点はＭ−１個形成されうるが、セル内に収容されるユーザ数はＭよりも大きいのが一般的だからである。適応処理部３０６で算出された重み係数ｗ１〜ｗ８は、ウエイト設定部３１２，３２２に与えられ、所望の指向性が実現される。
【００２６】
更に、本実施例では、重み係数の適応制御に加えて、水平方向に距離を隔てて設けられた２つのコリニアアレーアンテナを用いて空間ダイバーシチが行なわれ、信号品質が改善される。ダイバーシチブランチ数は２つに限定されず、様々な値をとり得る。各ブランチからの受信信号は、最大比合成その他の合成法で合成される。
【００２７】
次に、パラメータ情報を導出するためのシミュレーションについて説明する。本実施例では、所定の場所率（例えば、９５％）でシステムの所要ＳＩＲ（信号電力対干渉電力比）を確保できる場合の同時接続ユーザ数（回線容量）が、最大になるように、見込み角ψ、チルト角θｔ、係数ｃ等のパラメータの相互間の関係が決定される。場所率９５％とは、考察対象のセル又はセクタの９５％以上の場所で、システムの所要ＳＩＲを達成できることをいう。ＳＩＲは、ユーザ毎に求められる。この場合に、パス毎のＳＩＲが算出され、それらをレーク（Ｒａｋｅ）合成することで、そのユーザのＳＩＲが算出される。シミュレーションでは、様々なチルト角を変えながら、ユーザ数は少ない値から徐々に増やされ、所要ＳＩＲが確保できなくなるまで増やされる。但し、重み係数は、ＳＩＲが向上するように逐次的に更新される。パラメータ相互間の関係は、シミュレーションにより予め検討され、メモリに記憶される。本実施例におけるシミュレーションでは、以下のことが想定されている：
・３つのセクタを有するセルが１９個存在し、それら全体で１つのサービスエリアが形成される（図５参照）；
・ユーザは、セクタ内に一様に分布し、同一の伝送レートサービスを受ける；
・電波は、等レベル２パスモデルに従って伝搬する；
・ビームの角度広がりは、水平方向に５度及び垂直方向に０．５度である；
・アンテナパターンは、水平及び垂直面内の双方で、Ａｃｏｓｎ（θ）に従い、Ａは送信電力が一定になるように決定される；
・半値幅は水平方向に１２０度及び垂直方向に７８度である；
・受信電界レベルは、３．５乗則に従って減衰する；
・サイドローブレベルは、メインローブよりも１５ｄＢ以上減衰したものである；
・無線基地局のアンテナ高さは６０ｍであり、移動端末のアンテナ高さは１．５ｍである；
・多重化方式は、チップレート３．８４Ｍｃｐｓのチップレート及び３０ｋｓｐｓのシンボルレートにおけるＣＤＭＡ方式である；
・所要ＳＩＲは、６ｄＢである；
・１つのコリニアアレーアンテナに含まれる放射素子の総数（Ｎ）は、２４である；
・サブアレー数Ｍは、３個、４個又は６個である、即ちサブアレー当たりの放射素子数Ｌは、８＝２４／３個、６＝２４／４個又は４＝２４／６個である。）；
・サブアレー同士の間隔は、
サブアレー数が３個の場合に、５．３６波長，
サブアレー数が４個の場合に、４．０２波長，
サブアレー数が６個の場合に、２．６８波長である。
【００２８】
１つのサブアレーで形成される垂直面内の主ビームのビーム幅は、それぞれ次のような値になった：
サブアレー数が３個（Ｌ＝８）の場合に、９．２６度，
サブアレー数が４個（Ｌ＝６）の場合に、１２．４２度，
サブアレー数が６個（Ｌ＝４）の場合に、１８．６６度。
【００２９】
図６は、上記の前提条件の下に、場所率９５％でシステムの所要ＳＩＲを確保できる場合の同時接続ユーザ数（回線容量）が、最大になるように決定された、見込み角ψ、チルト角θｔ及び係数ｃの関係を示すグラフである。図中横軸は見込み角ψであり、縦軸は係数ｃである。チルト角θｔは、見込み角ψ×係数ｃで与えられる。図中○印は、サブアレー数Ｍが３個（Ｌ＝８個）の場合のグラフを示す。□印は、サブアレー数Ｍが４個（Ｌ＝６）の場合のグラフを示す。◇印は、サブアレー数Ｍが６個（Ｌ＝４）の場合のグラフを示す。
【００３０】
例えば、見込み角が３．８度の場合に、グラフから読みとれる係数ｃは、Ｍ＝６，４，３の場合について、それぞれ５．５，４．７，３．１であるので、チルト角θｔは、それぞれ２０．９度、１７．９度、１１．８度となる。同様に、見込み角が４．９度の場合に、グラフから読みとれる係数ｃは、Ｍ＝６，４，３に対して４．８，３．７，３．０５であるので、チルト角θｔは、それぞれ２１．１度、１８．１度、１４．９度となる。見込み角が５．７度の場合には、Ｍ＝６，４，３に対して係数ｃは３．７，２．６，２．６であるので、チルト角θｔは２１．１度、１４．９度、１４．９度となる。
【００３１】
従って、サブアレー数Ｍ、即ち重み係数ｗｉの数（ｉ＝１，．．．，Ｍ）が多い場合にはチルト角θｔは大きく設定すべきであり、サブアレー数Ｍが少ない場合にはチルト角θｔは小さく設定すべきである。サブアレー数Ｍが多く、適応的に合成する自由度が大きいほど、チルト角θｔを大きく設定でき、他セルへの干渉を大きく減らすことができる。また、グラフから、見込み角ψが小さい場合、即ちセルが大きい場合は、チルト角θｔを小さくして遠方まで電波が届くようにすべきことがわかる。逆に、見込み角ψが大きい場合、即ちセルが小さい場合はチルト角θｔを大きくして、電波が広がらないようにすべきこともわかる。更に、係数ｃは、２．２乃至５．５程度の範囲内に収まっていることもわかる。
【００３２】
このように、回線容量を向上させる観点から、チルト角や見込み角等のパラメータ相互間の関係を事前に調査し、メモリに記憶しておくことで、所与の通信環境における重み係数を設定する際に、最適なチルト角を考慮に入れることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】チルト角及び見込み角の説明図である。
【図２】ビームチルティングを行なうアンテナ装置の一部を示す図である。
【図３】本発明の一実施例で使用されるアンテナ装置を示す。
【図４】コリニアアレーアンテナを示す図である。
【図５】セル及びセクタ構成を示す図である。
【図６】シミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
２０２−１〜Ｎ  放射素子；  ２０４  プリント基板；  ２０６  給電箱；  ２０８−１〜Ｋ  給電端子；  ２１０−１〜Ｋ  同軸ケーブル；  ２１２  電力分配器；  ２１８  入出力端子；  ２２０−１〜Ｋ  端子；  
３００  アンテナ装置；  ３０２−１，２  コリニアアレーアンテナ；  ３０４  合成部；  ３０６  適応処理部；  ３１２−１〜４，３２２−１〜４  ウエイト設定部；  ３１４−１〜４，３２４−１〜４  サブアレー；
４０２−１〜Ｎ  放射素子；  ４０４  プリント基板；  ４０８−１〜Ｋ  給電端子；  ４１０−１〜Ｋ  同軸ケーブル；  
θｔ  チルト角；  ψ  見込み角；  ｃ  チルト角及び見込み角の比率
【図１】
2006060682.tif 000003
【図２】
2006060682.tif 000004
【図３】
2006060682.tif 000005
【図４】
2006060682.tif 000006
【図５】
2006060682.tif 000007
【図６】
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