(57)【要約】セルラ通信システム用の３次元セルラ信号受信領域、特に都市の高層ビルの上層階に受信領域を設定するための、ネットワーク、方法、基地局およびアンテナが開示されている。基地局の受信領域を地上空間へ拡大するために、上側偏向アンテナと下側偏向アンテナが互いに接続されており、基地局のトランシーバを共有し、セルラ周波数スペクトラムを共有し、受信領域を拡大する一方で、干渉を防ぐようにしている。下側偏向アンテナは、地上を担当し、上側偏向アンテナは、地上空間、特にそのセル内の高層ビルの上層階を担当する。下側偏向アンテナと上側偏向アンテナに換えて、単一のアンテナで３次元受信領域を提供するべく、マルチビームマルチ偏向基地局アンテナが発明された。これは、一の基地局内の地上を担当する下方を指す一のビームと、地上空間を担当する上方を指す一のビームを有する。
2005535201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある地理的領域にセルラ通信サービスを提供するセルラ通信ネットワークにおいて、前記地理的領域が複数のセルに分けられており、前記ネットワークが：
複数の基地局であって、各々が前記セル中のうちの関連するセル内の加入者局に無線信号を提供する基地局と；
前記基地局の少なくとも第１の基地局が、
該第１の基地局に関連する前記セルのうちの第１のセル内で、および前記セルのうちの一以上のセルで再使用可能な周波数レンジ内で、提供されるべき第１の無線信号を発生する発信機と、
下方を指す主ローブを有する特性放射パターンにて前記第１の無線信号を放射するべく前記発信機に接続されている第１のアンテナと、
上方を指す主ローブを有する特性放射パターンにて前記第１の無線信号を放射すべく前記発信機に接続されている第２のアンテナと、
を具え、
前記第１の無線信号がそこで前記基地局のうちの他の局から発せられた無線信号と干渉する可能性のある前記セルのうちの他のセルへ、前記第１の無線信号が放射されるのを制限しつつ、前記第１のセル内で前記第１のアンテナの下方と前記第２のアンテナ上方に前記第１の無線信号を放射するようにした；
ことを特徴とするセルラ通信ネットワーク。
【請求項２】
請求項１に記載のネットワークにおいて、前記第１の基地局が更に、前記第１のセルにおける加入者局によって発生した無線信号を受信する受信機を具えることを特徴とするセルラ通信ネットワーク。
【請求項３】
請求項２に記載のネットワークにおいて、前記受信機が前記第１及び第２のアンテナに接続して、前記第１のセルにおける加入者局によって発生した前記無線信号を前記第１及び第２のアンテナの少なくとも一方を介して受信することを特徴とするセルラ通信ネットワーク。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のネットワークにおいて、前記第１及び第２のアンテナがほぼ同じ位置に配置されていることを特徴とするセルラ通信ネットワーク。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のネットワークにおいて、前記第１のアンテナが、高さにおいて、前記第２のアンテナの上方に配置されていることを特徴とするセルラ通信ネットワーク。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のネットワークにおいて、前記第１及び第２のアンテナが、一体的に形成されていることを特徴とするセルラ通信ネットワーク。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のネットワークにおいて、前記基地局のうちの第２の基地局が；
前記第２の基地局に関連する前記セルのうちの第２のセル内で、及び、前記セルのうちの一以上のセルで再使用可能な周波数レンジ内で、提供されるべき第２の基地局無線信号を発生する第２の基地局発信機と、
上方を指す主ローブを有する特性放射パターンにて前記第２の基地局無線信号を放射するために前記第２の基地局発信機に接続された第２の基地局アンテナと；
を具え、
前記第２の基地局無線信号がそこで前記基地局のうちの他の局から発せられた無線信号と干渉する可能性のある前記セルのうちの他のセル内へ、前記第２の基地局無線信号が放射されるのを制限しつつ、前記第２のセル内で前記第２の基地局アンテナ上方に前記第２の基地局無線信号を放射するようにした；
ことを特徴とするセルラ通信ネットワーク。
【請求項８】
請求項７に記載のネットワークにおいて、前記第２の基地局が更に、前記第２のセル内の加入者局によって生成された無線信号を受信する受信機を具えることを特徴とするセルラ通信ネットワーク。
【請求項９】
ある地理的領域においてセルラ通信サービスを提供する方法において、前記地理的領域が複数のセルに分割されており、前記方法が：
各々が前記セルのうちの関連する一のセルにおける加入者局に提供され、前記セルの一以上において再度使用可能な周波数レンジを有する、複数の無線信号を発生するステップと；
その関連するセルに前記信号の各々を提供するステップであって、前記信号のうちの第１の信号が、前記第１の信号に関連する前記セルのうちの第１のセルに、
第１のアンテナから、下方を指す主ローブを有する特性放射パターンにて前記第１の信号を放射すること、
第２のアンテナから、上方を指す主ローブを有する特性放射パターンにて前記第１の信号を放射することによって、
提供され、
前記第１の信号がそこで前記信号のうちの他の信号と干渉する可能性のある前記セルのうちの他のセル内へ、前記第１の信号が放射されるのを制限しつつ、前記第１のセル内で前記第１のアンテナの下方及び前記第２のアンテナの上方に前記第１の信号を放射するステップと；
を具えることを特徴とするセルラ通信サービスを提供する方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記方法が更に、前記第１のセル内の加入者局から少なくとも一の無線信号を受信するステップを具えることを特徴とする、セルラ通信サービスを提供する方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、前記少なくとも一の無線信号が、前記第１及び第２のアンテナの少なくとも一方を介して受信されることを特徴とする、セルラ通信サービスを提供する方法。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれかに記載の方法において、前記第１及び第２のアンテナが実質的に同じところに配置されていることを特徴とする、セルラ通信サービスを提供する方法。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれかに記載の方法において、前記第１のアンテナが高さにおいて前記第２のアンテナの上方にあることを特徴とする、セルラ通信サービスを提供する方法。
【請求項１４】
請求項９乃至１３のいずれかに記載の方法において、前記第１及び第２のアンテナが一体的に形成されていることを特徴とする、セルラ通信サービスを提供する方法。
【請求項１５】
請求項９乃至１４のいずれかに記載の方法において、
上方を指す主ローブを有する特性放射パターンにて前記第２の信号を第２セルのアンテナから放射し、
前記第２の信号がそこで前記信号のうちの他の信号と干渉する可能性のある前記セルのうちの他のセルへ、前記第２の信号が放射されるのを制限しつつ、前記第２セル内で前記第２セルのアンテナの上方に前記第２の信号を放射するようにすることによって、
前記信号のうちの第２の信号が、前記第２の信号に関連する前記セルのうちの第２のセルに提供されることを特徴とする、セルラ通信サービスを提供する方法。
【請求項１６】
セルラ通信ネットワークの基地局であって、前記ネットワークがある地理的領域の中で複数のセルラ無線信号を提供するのに適しており、前記地理的領域が複数のセルに分割されており、前記基地局が：
前記セルのうちの第１のセル内に提供されるべき送信無線信号を発生する発信機であって、前記発信機が前記セルの一以上において再使用可能な周波数レンジで作動する発信機と、
下方を指す主ローブを有する特性放射パターンで前記送信無線信号を放射するために前記発信機に接続された第１のアンテナと、
上方を指す主ローブを有する特性放射パターンで前記送信無線信号を放射するために前記発信機に接続された第２のアンテナと、
を具え、
前記発信無線信号がそこで前記複数の無線信号のうちの他の信号と干渉する可能性のある前記セルのうちの他のセル内へ、前記送信無線信号が放射されるのを制限しつつ、前記第１のセル内で前記第１のアンテナの下方および前記第２のアンテナの上方に前記送信無線信号を放射するようにした、
ことを特徴とするセルラ通信ネットワークの基地局。
【請求項１７】
請求項１６に記載の基地局が、更に、前記第１のセルの加入者局によって発生する無線信号を受信する受信機を具えることを特徴とする基地局。
【請求項１８】
請求項１７に記載の基地局において、前記第１及び第２のアンテナの少なくとも一方を介して、前記第１のセル内の加入者局で発生した前記無線信号を受信するように、前記受信機が前記第１及び第２のアンテナに接続されていることを特徴とする基地局。
【請求項１９】
請求項１６乃至１８のいずれかに記載の基地局において、前記第１及び第２のアンテナが一体的に形成されていることを特徴とする基地局。
【請求項２０】
一の地理的領域においてセルラ通信サービスを提供するセルラ通信ネットワークにおいてアンテナを使用する方法であって、前記地理的領域が複数のセルに分割されており、前記ネットワークが各々が前記セルのうちの関連するセルにおける加入者無線局に提供されるべきであり、前記セルのうちの一以上で使用可能な周波数レンジを有する複数の無線信号を提供するネットワークである、アンテナを使用する方法において、当該方法が：
前記セルの第１のセルに第１の信号を：
下側を向いた主ローブを有し、第１の主軸に沿って延在する特性放射パターンにおいて前記アンテナの第１の放射エレメントセットから下方へ前記第１の信号を放射すること；
上側を向いた主ローブを有し、第２の主軸に沿って延在する特性放射パターンにおいて前記アンテナの第２の放射エレメントセットから上方へ前記第１の信号を放射すること；
ここで、前記第１及び第２の主軸間の角度が３〜６０度の範囲であること；
によって、
前記アンテナの下方および上方の前記第１のセルラに前記第１の信号を放射する一方で、前記第１の信号が前記無線信号のほかの信号と干渉するかもしれない前記セルのうちの他のセル内への前記第１の信号の放射を制限するように、
提供するステップを具えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２００２年７月３１日に出願された、カナダ国特許出願第２，３９３，５５２号「地球上セルラ無線通信システムの高層ビルを受信範囲とする方法およびアンテナ」の優先権を主張するものであり、この出願の全開示をここに引用する。
【０００２】
発明の属する技術分野
本発明は、セルラ通信システム用の、地表、および、地上のセルラ信号の受信範囲に関する。本発明は、セルラ通信システム用の３次元セルラ信号受信範囲を設定するネットワーク、方法、基地局、およびアンテナに関するものであり、同時に地理的領域における干渉を除去するようにしたものである。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
もともと１９７０年代にベル電話研究所によって発明された（米国特許第３，６６３，７６２号）移動セルラ通信システム（単に、「移動セルラシステム」または「セルラシステム」という）は、一般的に、少なくとも一の移動通信交換局（ＭＳＣ：Mobile Switch Centre）と、ある地理的領域において分散された複数の基地局と、複数の地上加入者無線局とを具えることが知られている。このシステムは、少なくとも一のコントロールチャンネルと、一群のトラフィックチャンネルを具え、セルラ移動通信に割り当てられた無線周波数や周波数スペクトラムを用いて地上加入者無線局用の移動無線アクセス通信サービスを提供する。各基地局は、無線基地局装置（ＢＴＳ：Base Station Transceivers System）と、少なくとも一の基地局アンテナと、アンテナ支持構造（塔、ポール、屋根等）を具えており、一または複数の基地局アンテナで扱われている地上領域−地上セルにサービスを提供している。各地上セルは更に複数の地上セクタに分割することができ、その各々が一または複数の基地局セクタアンテナで扱われる。無線周波数あるいは周波数スペクトラムは、地上セルおよびセクタで再度使用される。ＢＴＳは、複数の送信機と複数の受信機を具え、これらは双方とも、少なくとも一のコントロールチャンネルと、複数のトラフィックチャンネルとを具える。専用無線周波数帯が一の地理的領域における移動セルラシステムに割り当てられている。北アメリカでは、２つの周波数帯が移動セルラシステムに割り当てられている。一つは、８２４ＭＨｚから８４９ＭＨｚの送信周波数と、８６９ＭＨｚから８９４ＭＨｚの受信周波数の８００ＭＨｚ帯であり、もう一つは、１８５０ＭＨｚから１９１０ＭＨｚの送信周波数と、１９３０ＭＨｚから１９９０ＭＨｚの受信周波数の１９００ＭＨｚ帯である。
【０００４】
セルラシステムは、セルと、周波数の再利用という、二つの基本概念に基づく。地理的領域は数多くの小さなサービス領域−セルに分割されており、通常、互いに接する六角形で表され、セルラパターンを構成する。基地局は、各セルのほぼ中心に、塔（または、ポール、屋根など）の上に装着されたアンテナを伴って位置しており、無線信号を送信／受信し、自身のセル内にある加入者無線局と通信している。無線周波数はこれらのセル間で再度使用される。この方法の利点は、制限された周波数スペクトラムでネットワーク容量が大幅に増えることである。今日では、この方法は、ＡＭＰＳ（advanced mobile phone system）システム、ＴＤＭＡ（time division multiple access）システム、ＧＳＭ（global system for mobile communications）システム、ＣＤＭＡ（code division multiple access）システム、および３Ｇ（third generation cellular system）システムなどの、様々な移動セルラシステムにおいて広く使用されている。（セルとは、無線伝送路における特定の論理ＩＤに対応する基地局、または、基地局のサブシステムが扱う地理的領域、あるいは空間である。セルは、基地局、または、基地局のサブシステムの受信範囲として考えることもできる。セル内の移動局は、対応する基地局の無線装置で連絡を取ることができる。）
【０００５】
セル間で再使用される無線周波数は干渉を起こすことがある。ＦＤＭＡ（frequency division multiple access）セルラシステム（ＡＭＰＳのような）や、ＴＤＭＡセルラシステム（ＧＳＭのような）では、無線周波数の再使用が共通チャンネルの干渉を起こす。共通チャンネルの干渉を最小限にするために、セルラネットワーク構造は、加入者無線局に対する共通チャンネルの干渉源の距離を広くとるように設計されている。セルはクラスタに組織化されている。クラスタはセル群である。ひとつのセルクラスタ内で全ての使用可能な周波数スペクトラムが有効利用される。周波数チャンネルの総数の内のある一部が各セルに割り当てられ、一方、同じクラスタ内の隣接するセルには、異なる群の周波数チャンネルが割り当てられる。ひとつのクラスタ内では無線周波数の再使用は行われない。一クラスタ内のこの周波数チャンネルの割り振りは、セルラネットワークの全クラスタ内で繰り返される。この構造において、周波数再使用距離はセルの半径よりずっと大きく、共通チャンネルの干渉を減らしている。ひとつのセルは、更に、方向性セクタアンテナを有する複数のセクタに分けることができる。各セクタはそのセルの一部の領域を担当する。各セクタは、セルの全周波数チャンネルの一部に割り当てられている。セクタアンテナの方向が共通チャンネルの干渉を更に軽減する。ＣＤＭＡセルラシステムでは、全セルが広い周波数範囲内で同じ広がりのスペクトラムを使用する。セル内での進行中の通信の増加、及び隣接するセルによって干渉が生じ、それはシステムのノイズフロアの原因となる。隣接するセルに放射する信号が少なければ少ないほど、システム内に生じる干渉が少なくなる。自身のセル内に基地局の無線周波数を封じ込めることが、このセルラシステムにおける干渉を制御する方法である。
【０００６】
図１Ａおよび１Ｂに示すように、下側偏向ビーム基地局アンテナ（単に、「下側偏向アンテナ」という）が、移動セルラシステムに広く使用されている方法である（米国特許第４，２４９，１８１号）。下側偏向アンテナは、下方向に信号を発信し、自身のセル内に信号を封じ込めて、隣接するセルへの信号放射を制限してセルラシステム内の干渉を低減するようにしている。干渉を低減するものの、下側偏向アンテナは高価格である。そのビームポイントは地面に対して下向きであるので、下側偏向アンテナの上方スペースは、特にそのセルの境界線近傍で無線信号が急に小さくなるという欠点がある。下側偏向アンテナを用いる場合のセルのスペース受信範囲パターンは、ちょうど大きなドームのように（図１Ｃおよび図１Ｄに示すように）、中央が高く境界線付近が低い。セルの受信範囲外の無線信号は通信に十分なほど強くない。（以下、下側偏向アンテナが担当するセル、あるいは、偏向ビームを持たないアンテナが担当するセルを「地上セル」という；下側偏向アンテナが担当するセクタ、あるいは、偏向ビームを持たないセクタアンテナが担当するセクタを「地上セクタ」といい、地上セルと地上セクタで構成されるセルラネットワークを「地上セルラネットワーク」という。「地上」なる用語は、その受信範囲ターゲットを強調するためのものである。）
【０００７】
移動セルラシステムは、地上での移動通信を提供するために発達した。そのネットワーク構造とシステム設計は、移動性と地上の受信範囲に基づいていた。伝統的には、移動セルラネットワークは、その受信範囲領域を面として扱っており、地上のみを扱うものである。これは、基本的には二次元受信範囲のネットワークである。世界は三次元である。都市、特に大都会では、多くの高層ビルがある。基地局アンテナの制限された高さと下側偏向とは、多くの高層ビルの上層階を移動セルラネットワークの受信範囲外にするものである。技術が改善され、携帯電話やＢＴＳなどの加入者無線局はより一層感度が良くなり、より弱い信号を拾うことができるようになったが、多くの高層ビルの上層階内部のセルラ信号は質の良い通信を行うには弱すぎることが検証されている。フリースペースのロスに加えて、セル内の高層ビルの上層階内では基地局と携帯電話間に生じる二つの大きな信号ロスがある。この更なる信号ロスのひとつは、高層ビルの壁及び／又は窓の貫通ロスである。これは、平均約２０ｄＢのロスの原因になる。更なる信号ロスのもう一つは、基地局アンテナの下側偏向によるものである。多くの高層ビルの上層階は、下側偏向アンテナの主ローブ受信範囲内にない。代わりに、上層階は下側偏向アンテナのゼロゾーン内にあるのである。一般的に、セルラ基地局アンテナのゲインは、主ローブ内に比べゼロゾーン内では２０ｄＢ小さい。これは、平均して２０ｄＢの更なるロスに寄与する。ほとんどの高層ビルの上層階内でのセルラ信号は、同じ場所の地上でのセルラ信号と比べて平均で約４０ｄＢ低い。これが、多くの高層ビルの上層階でセルラホンでの通話を困難にしている理由である。一方、下側偏向アンテナの主ローブ受信範囲の下にある高層ビルの下層階内、あるいは低層ビル内では、セルラ信号はフリースペースのロス以外は貫通ロスが平均２０ｄＢあるのみである。ここのセルラ信号は、同じ領域内のほとんどの高層ビルの上層階内よりずっと強い。そこでは、たいていの場合、質のよいセルラホン通話を行うことができる。２０ｄＢは、無線通信、特に室内などの弱無線信号環境では有意な違いを生じさせる。現存する移動セルラネットワークは、高層ビルの上層階における受信範囲の問題を解決するべく改善される必要がある。（アンテナ主ローブは、アンテナの放射パターンのローブであり、そこに最大放射エネルギーを持つ。これは時に、「主ローブ」あるいは「ビーム」とも呼ばれる。）
【０００８】
通信トラフィックが少ない地方エリアでは、セルはより広い領域を扱うためにできるだけ大きく設計される。基地局アンテナは一般的に小さな角度で下側に偏向しているか、あるいはまったく偏向していない。通信トラフィックが多い都会エリアでは、セルは地方エリアよりずっと小さく設計されている。ほとんどの基地局アンテナは、地方エリアにおけるアンテナよりも比較的大きな角度で下側に偏向しており、その放射を小さなセル内に含めるようにして干渉を防いでいる。干渉、セルサイズ、美観、コスト及び位置的な可能性を考えて、基地局アンテナは一般的に屋根の上に地上２０メータから４０メータの高さに装着されている。これが、都市エリア、特に大都会での多くの高層ビルの上層階を空中の移動セルラネットワーク受信範囲外においている。現実は、多くの高層ビルの上層階におけるセルラ信号受信範囲の欠如あるいは弱さである。人々はそこで働き、生活している。携帯電話は全世界的に普及しつつあるので、現在では高層ビルでの移動セルラ信号受信範囲がサービスプロバイダとその顧客の双方にとっての主な関心事である。
【０００９】
「分布アンテナシステム」（ＤＡＳ、Distributed Antenna System）と呼ばれるシステムと方法が高層ビルにおける移動セルラ信号の屋内受信範囲を提供するのに使用されてきた。これは、マイクロセル基地局、あるいはＲＦ（無線周波数）ケーブル及び／又はファイバを介するリピータからビルの内部にセルラ無線信号を取り込むものである。一般的に、これはマイクロセル基地局あるいはリピータと、長く複雑な無線信号配信ネットワークと、数多くの室内アンテナを必要とする。無線信号強度は限られており、インドアアンテナ周囲の小さい領域を扱う。残念なことに、このＤＡＳシステムは、高層ビルの受信範囲に対しての対費用効果の高い解決法ではない。マイクロセル基地局あるいはリピータ、及び分布ネットワークは、大変高価である。マイクロセル基地局あるいはリピータ、および高層ビル内で分布ネットワークを主催するための設備室のレンタル費用も大変に高い。更に、分布ネットワークを稼動するのに家主の許可を必要とする。この設置費用は、ひどく高価である。すべてのビルにおいて完全な受信範囲を成し遂げるためには、フロアごとに、およびビルごとに、とんでもなく高い経費でこのシステムを稼動する必要がある。ＤＡＳシステムの受信領域内の有料トラフィックには限界がある。ほとんどの場合、ＤＡＳシステムからの収入では、単純にその投資を補填することができない。これが、このシステムが一般に行われない理由である。
【００１０】
高層ビルの上層階におけるセルラシステム用のセルラ信号受信範囲のより実際的で対費用効果の高い解決法が求められている。
【００１１】
発明の概要
本発明のセルラ通信ネットワーク（単に、「セルラネットワーク」という）は、その基地局の少なくとも一つが、地表および地上に３Ｄ（三次元）空間受信範囲を有し、一方で、基地局の送信機と受信機を、その下側偏向アンテナと上側偏向アンテナ間で、及び基地局のアンテナの下側偏向および上側偏向ビーム間で共有することによって、干渉をなくすという特徴を有する。本発明は、更に、その基地局の少なくとも他の一つが地上空間内に受信範囲を有し、一方で、基地局アンテナの上側偏向ビームによって干渉をなくすという特徴を有する。したがって、本発明のセルラネットワークは、ある地理的領域内での３Ｄ空間受信範囲、特に都市の高層ビルの上層階の受信範囲に対して対費用効果の高い解決を提供する。
【００１２】
本発明は、また、上述の特徴をもつセルラ通信ネットワーク設定のための方法及び基地局を提供する。
【００１３】
本発明のセルラ通信ネットワークは、一の地理的領域内に複数の基地局を具える。それがその地理的領域内にセルラ通信サービスを提供する。この地理的領域は複数のセルに分けられている。各基地局は、そのセル内の加入者局に無線信号を提供する。セルラネットワークの少なくとも一の基地局は、そのセル内の地表および地上に広がる３Ｄ空間受信範囲を有する。基地局は発信機、下側偏向アンテナ、及び上側偏向アンテナを具える。発信機は、その基地局のセル内に供給されるべき無線信号を、そのセルラネットワークの一以上のセルで再使用可能な周波数レンジ内において生成する。下側偏向アンテナは、下側に向いた主ローブを有する特性放射パターンで無線信号を発信するべく発信機に接続されている。上側偏向アンテナは、上側に向けられた主ローブを有する特性放射パターンで無線信号を発信するべく発信機に接続されており、基地局のセル内で下側偏向アンテナの下方および上側偏向アンテナの上方に無線信号を発信し、一方で、その無線信号が同セルラネットワークの他の基地局からの無線信号と干渉しうるため、同セルラネットワーク内の他のセルへその無線信号が放射されるのを制限している。基地局はさらに、セル内の加入者局によって発信される無線信号を受信する受信機を具える。この受信機は、上側偏向アンテナと下側偏向アンテナの双方に接続されていても良く、これら２つのアンテナの少なくとも一方を介して基地局のセル内の加入者局によって発信された無線信号を受信する。両アンテナが実質的に同じ場所に配置されていても良い。下側偏向アンテナは、高さにおいて、上側偏向アンテナの上に配置することができる。二つのアンテナは、一のアンテナとして一体的に形成されていても良い。（無線信号、あるいは単に「信号」と呼ぶこともあるが、は発信機によって、あるいは加入者無線局によって発信された情報を搬送する感知可能な無線エネルギィである。アンテナの放射パターンは、軸に対する角度関数としてのアンテナの電界強度の変化である。）
【００１４】
本発明のセルラネットワークは、更に、地上空間に受信範囲の広がりを有する、他の少なくとも一の基地局を具え得る。この基地局は、発信機と上側偏向アンテナを具える。発信機は、その基地局のセル内に供給されるべき無線信号を、そのセルラネットワークの一以上のセルで再使用可能な周波数レンジ内において生成する。上側偏向アンテナは、上側を向いた主ローブを有する特性放射パターンで無線信号を発信するべく発信機に接続されており、その基地局のそのセル内で上側偏向アンテナの上方に無線信号を発信し、一方で、その無線信号が同セルラネットワークの他の基地局からの無線信号と干渉しうるため、同セルラネットワーク内の他のセルへその無線信号が放射されるのを制限している。基地局は更に、そのセル内の加入者局によって生成された無線信号を受信するための受信機を具える。
【００１５】
本発明の方法は、複数のセルに分けられている地理的領域においてセルラ通信サービスを提供するために、一以上のセル内で再使用可能な周波数レンジ内で複数の無線信号を生成するステップであって、各無線信号がそのセル内の加入者局に提供されるものであるステップと；そのセルに各無線信号を提供するステップとを具える。ここで、無線信号の一つは、下側偏向アンテナから下側に向いた主ローブを有する特性放射パターンで発信され、又、上側偏向アンテナから上側に向いた主ローブを有する特性放射パターンで発信され、そのセルに供給される。したがって、無線信号はそのセル内で、下側偏向アンテナの下方と上側偏向アンテナの上方に放射され、一方で、その無線信号が他の無線信号と干渉するであろう他のセル内への放射は制限される。この方法は、更に、セル内の加入者局からの少なくとも一の無線信号を受信する工程を具える。加入者局からの無線信号は、少なくとも一の下側偏向アンテナと上側偏向アンテナを介して受信されるものであっても良い。両アンテナは、実質的に同じ場所に配置されていても良い。下側偏向アンテナは、高さにおいて上側偏向アンテナの上にあっても良い。下側偏向アンテナと上側偏向アンテナは、一本のアンテナとして一体的に形成することもできる。
【００１６】
本発明の方法は、更に、セル内の一の上側偏向アンテナから、そのセル内で上側偏向アンテナの上方に放射されるように、上側に向いた主ローブを有する特性放射パターンにて別の無線信号を発信してそのセルに供給し、一方で、当該無線信号が他の無線信号と干渉するであろう他のセル内への当該無線信号の放射を制限する工程を具えていても良い。
【００１７】
本発明のセルラ通信ネットワークの基地局は、発信機と、下側偏向アンテナと、上側偏向アンテナを具える。セルラネットワークは、複数のセルに分割されている地理的領域内に複数のセルラ無線信号を提供するように構成されている。発信機は、基地局のセル内に供給されるべき無線信号を生成する。発信機は、一以上のセル内で再使用可能な周波数レンジで動作する。下側偏向アンテナは、下向きの主ローブを有する特性放射パターンで無線信号を放射するために発信機に接続されている。上側偏向アンテナは、上向きの主ローブを有する特性放射パターンで無線信号を放射するために発信機に接続されている。したがって、無線信号は、その基地局のセルの中で下側偏向アンテナの下方と上側偏向アンテナの上方に発信されながら、一方で、当該無線信号が同セルラネットワークの他の無線信号と干渉するかもしれない他のセル内への当該無線信号の放射は制限される。基地局はさらに、そのセル内の加入者局によって生成された無線信号を受信するための受信機を具える。受信機を下側偏向アンテナと上側偏向アンテナに接続し、少なくとも下側偏向アンテナと上側偏向アンテナの一つを介して、基地局のセル内の加入者局から生成された無線信号を受信するようにできる。下側偏向アンテナと上側偏向アンテナは、一本のアンテナとして一体化されていても良い。
【００１８】
本発明は、更に、少なくとも二つの異なる方向を向いた二本のビームを有する、マルチビームマルチ偏向基地局アンテナを提供する。これは、セルラ基地局に使用でき、下側偏向アンテナと上側偏向アンテナに代えて、単一のアンテナで３Ｄ空間受信領域を提供する。このアンテナをセルラ基地局に使用すると、そのビームの一つが地表を担当するべく下側を指し、ビームの他の一つが地上の空間を担当するべく上側をさす。（アンテナ主ローブとも呼ばれるアンテナビームは、少なくとも一の次元において限られた小さな角度をもつ、主放射エネルギーを含む放射ローブである。）
【００１９】
発明の詳細な説明
図１Ａ乃至図１Ｄは、従来技術とその問題点を述べたものである。
【００２０】
図１Ａは、移動セルラシステムの典型的な基地局及びその受信範囲を示す例である。下側偏向セクタアンテナ１は、ＲＦケーブル４を介してＢＴＳ５に接続されている。このアンテナはマスト３に装着されている。そのビームは、その装着位置からの水平面の下方に角度β下側に偏向している。そのビームは、地上、地上セクタ内の低層ビル２０ａと、高層ビル２０の低層階を受信範囲としている。このビームは、高層ビル２０の上層階はカバーしていない。アンテナ１は、送信及び受信の双方のアンテナとして機能する。矢印５１は、ビーム（あるいは主ローブ）軸である。（セクタアンテナは、方位と仰角の双方に指向性がある放射パターンを有する。ビームあるいは主ローブ軸は、ビームあるいは主ローブの最大放射パワー方向である。）
【００２１】
図１Ｂは、送受信の両方向における図１Ａの下側偏向セクタアンテナ１の仰角におけるローブパターンの例である。送信特性と受信特性の間には相互関係があるので、一つのアンテナが送信方向と受信方向の両方において同じローブパターンを有する。セクタアンテナ１の主ローブ６は、水平面の下側に角度β偏向している。（主ローブの方向は、その最大パワー放射方向である。）一方、符号７は、第１の上側ローブであり、８は第１の下側ローブ、９は後側ローブである。矢印５１は主ローブの軸である。主ローブ６と第１の上側ローブ７の間の零位は、ちょうど水平面あたりにある。それは、高層ビルの上層階がある空間領域である。一般的に、この零位ゾーンのセルラ信号強度は、主ローブの最大信号強度より２０ｄＢ低い。したがって、セルラシステムにおける基地局アンテナの下側偏向は、ほとんどの高層ビルの上層階におけるセルラ信号を、高層ビルの下層階又は、同じ領域にある低層ビルでのセルラ信号よりも平均で２０ｄＢ強度を低下させる。参考までに座標ＸＹが示されている（軸Ｘは水平方向を、軸Ｙは仰角方向を示す。）
【００２２】
図１Ｃは、移動セルラシステムの典型的な地上セルの３Ｄ受信範囲形状の例を示す図である。下側偏向全方向性アンテナ２によってカバーされる領域及び空間が、地上セル１１を形成する。これは、中心が高く周辺が低い大きなドームのような形状をしている。一方、符号１３は、地上セル１１の周辺である。アンテナ２は、ＢＴＳ５に接続され、地上から高さｈ１のところに装着されている。地上セル１１は、ｈ１より高いスペースはカバーしていない。この受信範囲高さは、そのセルの中央からの距離が大きくなるにつれて低くなる。アンテナの送信特性と受信特性間の相互関係により、地上セル１１は、送信及び受信方向においてほぼ同じ受信範囲形状とレンジを有する。（全方向アンテナは、方位において無方向性の放射パターンを有する。その垂直方向の放射パターンはどのような形でも良い。）
【００２３】
図１Ｄは、送信及び受信の両方向における地上移動セルラネットワークの３Ｄ受信範囲形状の例を示す図である。複数の地上セルが地球表面上に並んで、地上移動セルラネットワークを構成している。これらの地上セルは各自の下側偏向基地局アンテナの下の空間のみをカバーしている。セル境界近傍の受信状態は、信号強度と受信範囲の高さの双方において悪い。上述したとおり、地上移動セルラネットワークは多くの高層ビルの上層階をカバーしていない。これは、解決するべき問題である。本発明の意図するところは、この問題を好ましい対費用効果のある方法で解決することである。地上移動セルラネットワークは、送信及び受信方向の両方で、ほぼ同じ受信範囲の形状とレンジを有する。
【００２４】
図２Ａ乃至２Ｇに本発明の第１の基本コンセプトを示す。基地局アンテナは、高層ビルの上層階をカバーし、そこのセルラ信号強度を増加させる上向の主ローブを有しており；ある地理的領域における地上空間は、複数の小さなサービス空間−上側セルに分割されている；各上側セルは、送信及び受信の両方向において基地局アンテナの一又は複数の上向きの主ローブによってカバーされている；複数の上側セルは、一の上側セルラネットワークを構成し、その地理的領域の地上空間をカバーする。これによって、上側セルラネットワークは、移動セルラシステムのためのその地理的領域における地上空間、特にほとんどの高層ビルの上層階にセルラ信号受信領域を提供する。
【００２５】
図４Ａ乃至図４Ｃは、本発明の第２の基本概念を示す。上側偏向アンテナと下側偏向アンテナが互いに接続されており、次いで無線基地局装置に接続している。すなわち、これらは無線基地局装置を共有しており、セルラ周波数あるいは周波数スペクトラムを共有し、干渉を防いでいる。ＢＴＳ全体あるいは基地局のＢＴＳの一部を共有しても良い。上側偏向アンテナは、地上空間、すなわち上側セルをカバーしており、下側偏向アンテナは地表、すなわち地上セルをカバーしている。両アンテナは、同じ無線信号源を共有しているので、上側セルと地上セルの間には干渉は起きない。この干渉除去技術とビーム下側偏向およびビーム上側偏向の干渉除去技術を組み合わせて、セルラネットワーク全体の干渉を除去するのに使用することができる。
【００２６】
移動セルラシステムの基地局は、少なくとも一のＢＴＳと、少なくとも一の送信アンテナと、少なくとも一の受信アンテナを具える。各ＢＴＳは、少なくとも一の発信機と少なくとも一の受信機を具える。送信アンテナは、発信機に接続されており、発信機で生成された無線信号をそのセル内に送信する；受信アンテナは、受信機に接続されており、セル内の加入者局で生成された無線信号を受信する。双方とも、ほぼ同じ放射特性パターンを有する。これらのアンテナは、アンテナ支持構造の上に取り付けられている。発信機は、そのセル内において、移動セルラネットワークの一以上のセルで再使用しうる周波数レンジ内で提供されるセルラ無線信号を生成する。この発信機で生成された無線信号は、そのセル内に主ローブが送信アンテナの上方に向いた放射特性パターンをもって送信アンテナから放射される。受信機は、受信アンテナを介してそのセル内の加入者局で生成された無線信号を受信する。基地局のアンテナはしばしば、送信および受信アンテナの双方として使用される。
【００２７】
上述したとおり、基地局アンテナが上側に偏向しており、主ローブがそこをカバーするのであれば、セルラ信号強度は高層ビルの上層階において平均２０ｄＢまで増加する。アンテナの受信及び送信特性の相互関係によって、そこでの加入者局（例えば、移動電話など）から発生され、基地局アンテナで受信される無線信号の強度は、基地局のアンテナが送信及び受信アンテナの双方に使用されている場合は、基地局の受信機でも同様に平均２０ｄＢまで増加する。これによって、そこでのセルラ通信状態が大幅に変わることになる。一の上側偏向基地局アンテナは、セル内の多くの高層ビルの上層階をカバーすることができる。これは対費用効果の高い受信範囲の解決策であり、容易に実行することができる。（以下、ビーム上側偏向基地局アンテナを、単に「上側偏向アンテナ」；ビーム上側偏向基地局セクタアンテナを単に「上側偏向セクタアンテナ」という）。
【００２８】
移動セルラシステムの基地局と加入者局間の無線通信プロセスは公知の技術であり、本発明の範囲ではない。ほとんどの場合、アンテナはセルラ基地局内で送信と受信アンテナの両方として使用されている。このアンテナは、送信および受信で同じゲインと方向選択性を有する。このアンテナは、その受信範囲レンジ外の加入者局からの無線信号を拒絶する。例えば、一の上側偏向アンテナは、そのセル内の地上の加入者局からの無線信号を拒絶する。上側偏向アンテナは、ちょうど下側偏向アンテナが行うのと同様の方法で、移動セルラネットワーク内のセル間での干渉をなくすための方法として使用されうる。別々の送信及び受信アンテナを、都合によって基地局内に使用することができる。これらのアンテナは、ダウンリンク（基地局から加入者局へ）とアップリンク（加入者局から基地局へ）間の差異のバランスを取るために、異なる特性を有することもある。どのような場合でも、基地局は、移動セルラネットワーク内の送信及び受信方向の両方において同じ受信範囲形状と広がりを有することが好ましい。
【００２９】
地上空間は、本発明の受信範囲においては３次元として取り扱われる。地上セルと地上セクタの他に、上側セル及び上側セクタという概念が本発明では取り入れられている。上側セルは、地上の予め決められた空間であり、一または複数の基地局アンテナから上側を指している一またはそれ以上の主ローブによってカバーされる。上側セルは、複数の上側セクタ(例えば３つの上側セクタ)に分割することができる。上側セクタは、上側セル内の予め決められた地上空間であり、一または複数の基地局セクタアンテナから上側を指している一または複数の主ローブで扱われている。各上側セルは、少なくとも一のＢＴＳと少なくとも一のアンテナ（送受信）を具えている。このアンテナはＢＴＳに接続されており、アンテナ支持構造上に装着されている。各上側セクタは一のＢＴＳと、少なくとも一のセクタアンテナ(送受信)を具えている。セクタアンテナはＢＴＳに接続されており、アンテナ支持構造に装着されている。受信範囲の相違以外は、上側セル及びセクタは地上セルおよびセクタと有意な相違はない。ネットワークレベルでは、地上セルに分割された地上領域のように、一の地理的領域内の地上空間は、複数の小さいサービス空間−本発明に言う移動セルラシステム内の上側セル−に分かれている。複数の上側セルは、上側セルラネットワークを構成する。これは、移動セルラシステム用の一の地理的領域内の地上空間をカバーしている。セルラ周波数あるいは周波数スペクトラムは、必要があれば（セルラシステムのタイプおよび上側セルラネットワークのスケールによる）上側セルの間で再使用される。上側セルラネットワークは、上側セル間の干渉を除去するために、ＧＳＭセルラシステムで使用されている７／２１あるいは４／１２周波数再利用プランのような、現存の地上セルラネットワークが持っているのと同様の周波数再使用プランを採用することができる。本発明では、基地局アンテナの高さとその主ローブ上側偏向角度を調整して、所定の高さ（適用するケースによる）内での上側セル間の干渉を除去することが好ましい。上側セルラネットワークはさらに、少なくとも一のコントロールセンタを具える。コントロールセンタは、上側セルラネットワークの各基地局と接続している。これは、他の通信システムにも接続していても良い。コントロールセンタは、上側セルラネットワークの基地局および加入者局との通信を制御する。これは、更に、その移動セルラシステムと他のシステム間の通信も制御する。上側セルラネットワーク内でコントロールセンタがどのように通信を制御するかは公知であり、本発明の範囲ではない。現存の地上セルラネットワークは地表をカバーする。上側セルラネットワークをそれと一体化し、その受信範囲を地理的領域内の地上空間に伸ばすようにしても良い。両セルラネットワークは、共通のシステムコントロールセンタを共有することができる。
【００３０】
移動セルラシステムのための高層ビル受信範囲用のアプリケーションにおいて、基地局アンテナからの上側主ローブは、上側セル内の高層ビルの上層階を指す。各上側セルは、その上側セル内の高層ビルの上層階における移動セルラシステムの加入者局のために動作する；各上側セクタは、その上側セクタ内の高層ビルの上層階における移動セルラシステムの加入者局のために動作する。本発明では、上側偏向アンテナの高さとその主ローブの上側偏向角度を調整して、その上側セル内の高層ビルの上層階における受信範囲を最大にし、上側セルの外の高層ビル内の受信範囲を最小にすることが好ましい。現存の地上セルラネットワークが既に、地上、低層ビル、高層ビルの下層階はカバーしている。上側セルラネットワークは、これと一体化して、地理的領域内におけるほとんどの高層のビルの上層階までその受信範囲を拡大することができる。これらは、共通のシステムコントロールセンタを共有することができる。上側セルラネットワークは他のアプリケーションに使用してもよい。例えば、上側セルラネットワークは、宇宙受信範囲用の地球規模でない移動セルラシステムで実行することができる。
【００３１】
図２Ａは、本発明の基本概念を示す図である。上側偏向アンテナは、高層ビルの上層階を担当している。セクタアンテナ１０は、ＲＦケーブル４でＢＴＳ１５に接続されている。このセクタアンテナはマスト３に装着されている。セクタアンテナは、その装着位置からの水平面上方に、角度α（例えば、１０°）上側に偏向したビームを有し、その上側セクタ（または上側セル）内にある高層ビル２０の上層階を指している。矢印５１は、ビーム（または主ローブ）軸である。ＢＴＳ１５の発信機で生成されたセルラ信号が、アンテナ１０を介して上側に放射され、その上側セクタ（または上側セル）内にある高層ビル２０の上層階における加入者局に提供される。ＢＴＳ１５の受信機は、アンテナ１０を介して、その上側セクタ（または上側セル）内の高層ビル２０の上層階内の加入者局で生成されたセルラ無線信号を受信する。図２Ａには上側偏向が機械的に示されているが、アンテナビームは電気的に、あるいは両方で上側に偏向されていてもよい。マスト３の代わりに、アンテナ１０は塔あるいは屋根の上など、どのようなアンテナ支持構造の上に装着されていても良い。アンテナ１０の受信範囲ターゲットは図２Ａでは高層ビルであるが、塔や、どのような地上の高層建築でもよい。図２Ａでは、アンテナ１０は、送受信アンテナとして動作しており、無線信号の送受信にほぼ同じ方向性を有する。ＢＴＳ１５は、送受信双方向において、ほぼ同じ受信範囲レンジを有している。これは、その上側セクタ（または上側セル）が、送受信の両方向において、ほぼ同じ受信範囲形状とレンジを有していることを意味する。
【００３２】
図２Ｂは、図２Ａと同じ概念を示す図であるが、上側偏向セクタアンテナ１０の代わりに上側偏向全方向性アンテナ１４が用いられている。アンテナ１４は、上側セル内にセルラ信号受信領域を提供する。
【００３３】
図２Ｃは、図２Ａと同じ概念を示す図であるが、基地局１５が、別々の送信セクタアンテナ１０ｔと、受信セクタアンテナ１０ｒを使用している。アンテナ１０ｔは、その装着位置からの水平面上方に、角度α（例えば、１０°）上側に偏向したビームを有し、その上側セクタ（または上側セル）を担当している。このアンテナはＲＦケーブル４でＢＴＳ１５の発信機（ＴＸｓ）に接続されている。アンテナ１０ｒは、その装着位置からの水平面上方に、同じ角度α上側に偏向したビームを有し、上側セクタ（または上側セル）を担当している。このアンテナは、ＲＦケーブル４を介してＢＴＳ１５の受信機（ＲＸｓ）に接続している。両アンテナ共にマスト３に装着されている。これらのアンテナはほぼ同じ方向選択性を持つ。矢印５１は、ビーム（または主ローブ）軸である。ＢＴＳ１５の発信機で生成されたセルラ信号が、アンテナ１０ｔの上方に放射され、その上側セクタ（または上側セル）内の加入者局に提供される。ＢＴＳ１５の受信機は、アンテナ１０ｒを介して、その上側セクタ（または上側セル）内の加入者局で生成されたセルラ無線信号を受信する。アンテナ１０ｔと１０ｒは、ゲインは異なるが、アップリンクとダウンリンク間のバランスを取るようにほぼ同じ受信範囲レンジを有していることが好ましい。
【００３４】
図２Ｄは、送受信両方向において、図２Ａの上側偏向セクタアンテナ１０の仰角におけるローブパターンの例である。主ローブ１６は、水平面上方に角度α上側に偏向している。符号１７は第１の上側サイドローブ、符号１８は第１の下側サイドローブ、１９は後側ローブである。矢印５１は、主ローブの軸である。本発明では、アンテナの上側偏向角度を調整することによって、主ローブ１６と第１の下側サイドローブ１８間のゼロ位をアンテナ装着位置から水平面周辺に生じさせることが好ましい。これによってアンテナ装着高さにおいて水平面付近でのセルラ信号強度を最小限にし、他の上側セルあるいは地上セルへのセルラ信号の放射を制限して、起こりうる干渉を最小限にするようになる。座標軸ＸＹが、参考に示されている。（軸Ｘは水平方向、軸Ｙは仰角方向を表している）。
【００３５】
図２Ｅは、送信及び受信の両方向における、本発明の上側セルの３Ｄ受信範囲の形状の例である。上側偏向全方向性アンテナ１４でカバーされている空間が、上側セル２１を構成する。この空間は大きなドームのような形状をしているが、上下逆さまである。一方、符号２３はその境界である。アンテナ１４は、ＢＴＳ１５に接続されており、地上高さｈ２のところに装着されている。上側セル２１は、ｈ２より低い空間は扱っていない。この非受信領域の高さは、そのセルの中央からの距離が増えるにつれて高くなる。本発明では、上側セルが送信及び受信の両方向において、ほぼ同じ受信領域形状とレンジを有することが好ましい。
【００３６】
図２Ｆは、上側セルとその上側セクタの３Ｄ受信領域の形状の例である。上側セル２１は、３つの上側セクタ２２ａ、２２ｂおよび２２ｃに分割されている。上側偏向セクタアンテナ１０ａは、ＢＴＳ４  １５ａに接続しており、上側セクタ２２ａをカバーする；上側偏向セクタアンテナ１０ｂはＢＴＳ５  １５ｂに接続しており、上側セクタ２２ｂを担当する；上側偏向セクタアンテナ１０ｃは、ＢＴＳ６  １５ｃに接続しており、上側セクタ２２ｃをカバーしている。符号２３は上側セル２１の境界である。３つの上側偏向セクタアンテナは、地上高さｈ３のところに装着されている。本発明では、上側セル及びセクタが、送信及び受信の両方向において、ほぼ同じ受信範囲形状およびレンジを有することが好ましい。
【００３７】
図２Ｇは、上側セルラネットワークの３Ｄ受信範囲の形状を示す例である。複数の上側セル２１が、地球表面に並んでおり、上側セルラネットワークを構成している。本発明では、アンテナの高さとそのビーム上側偏向角度を正しく調整して上側セル内での信号放射を最大にするとともに、上側セル外への信号の放射を制限することが好ましい。地上セル間の干渉を除去している下側偏向アンテナと下側偏向セクタアンテナのように、上側偏向アンテナと上側偏向セクタアンテナも、地理的領域中の所定の高さ（例えば、最大の高層ビルの高さ）内での上側セル間の干渉を除去することができる。一の地理的領域におけるほとんどの高層ビルの上層階は、上側セルラネットワークでカバーされることになる。これは、移動セルラシステムで長いこと問題であった高層ビルの受信領域の問題を対費用効果の高い方法で解決するものである。上側セルラネットワークは、送信及び受信の両方向において、ほぼ同じ受信領域の形状とレンジを有することが好ましい。
【００３８】
上側セルラネットワークは、移動セルラシステムにおいて、都会領域でのみ必要であるかもしれない。受信範囲のターゲット（高層ビル）を制限することによって、上側セルラネットワークのスケールは、同じ領域の地上セルラネットワークに比べてずっと小さくなる。これは、上側セル間、および上側セルと地上セル間の干渉を低減する。中程度あるいは小都市では、必要な上側セルは全てクラスタ内にある。（一のクラスタは、７/２１周波数再使用プランで、７つのセルを有する。）この場合、ＦＤＭＡあるいはＴＤＭＡ移動セルラシステム用の上側セルラネットワークで、セルラ周波数を再使用する必要はない。孤立した地方の領域内のいくつかの高層ビルをカバーするには単一の上側セルあるいは上側セクタで十分かもしれない。本発明の上側セル、上側セクタ及び上側セルラネットワークは、様々なタイプの移動セルラシステムで実行することができ、高層ビルの上層階にセルラ信号受信範囲を提供する。
【００３９】
理論的には、セルラ周波数あるいは周波数スペクトラムは、上側セルラネットワーク内の上側セル間で再使用されるべきである。実際の上側セルラネットワークで、セルラ周波数あるいは周波数スペクトラムを再使用するか否かは、上側セルラネットワークのシステムのタイプ、構造、スケールによる。例えば、移動セルラシステムがＣＤＭＡシステムである場合は、同じ広がりのスペクトラムがある地理的領域内のすべての上側セル間で再使用される。ＴＤＭＡあるいはＦＤＭＡ移動セルラシステムについては、上側セルラネットワークがクラスタより大きければ、セルラ周波数が上側セル間で再使用されることがある。スケールの大きい上側セルラネットワークは、広い都市領域に多くの高層ビルがある大都市で必要である。
【００４０】
図３Ａ乃至３Ｄは、上側セルラネットワークが地上セルラネットワークの上に、別の方法で重なっている場合の仰角における空間受信範囲プロファイルの例である。地上移動セルラシステムの受信範囲を地上空間、特に高層ビルの上層階に広げるために、上側セルラネットワークを、現存の地上セルラネットワークの上に重ねることができる。上側セルラネットワークを地上セルラネットワークに重ねる方法は数多くある。図３Ａ乃至図３Ｄは４つの例である。
【００４１】
図３Ａでは、上側セルが地上セルに、両セルの基地局アンテナがほぼ同じ高さ、ほぼ同じ場所にある状態で重なっている。上側セル２１ｂ、２１ａ、および２１ｅ（実線領域）が、それぞれ、地上セル１１ｂ，１１ａ、１１ｅ（破線領域）の上にある。空間２９は、上側及び地上セルのいずれでも扱われていないスペースである。図３Ａでは、上側セルの基地局は、地上セルの基地局と同じところに位置している。
【００４２】
図３Ｂは、上側セルの基地局アンテナがほぼ同じ場所にある地上セルの基地局の下にあることを除いて、図３Ａと同じ展開を示している。重なり合う空間２８（斜線部分）は、上側及び地上セルの両方でカバーされているスペースである。図３Ａおよび図３Ｂにおける重なり合うことの利点は、上側セルが地上セルの、装置室、電源、塔、およびキャリア、その他などの、現存の基地局の設備の全て、あるいは一部を共有できることである。図４Ａに示すように、地上セルの現存のＢＴＳですら共有することができる。図３Ｂに示す重ねあわせ方法は、図３Ｂにおいて扱われていない空間がより少ないので、図３Ａに示す重ね合わせ方法より空間受信範囲が良好である。
【００４３】
図３Ｃでは、上側セルの中央が、上側セルと地上セルの両基地局アンテナをほぼ同じ高さに有しながら、二つの地上セル間の境界近くに位置している。上側セル２１ｂの中央は、地上セル１１ｂと１１ａの間の境界近くにあり、上側セル２１ａの中央は、地上セル１１ａおよび１１ｅ間の境界近くにあり、上側セル２１ｅの中央は、地上セル１１ｅ及び１１ｇの境界近くにある。間の空間２９は、上側セルと地上セルのどちらにもカバーされていない空間である。
【００４４】
図３Ｄは、上側セルの基地局アンテナが、高さにおいて地上セルの基地局アンテナの下にあることを除いて、図３Ｃと同じ展開を示す。重なりあう空間２８（斜線部）は、上側及び地上セルの双方でカバーされている空間である。図３Ｃおよび図３Ｄにおいて重なり合うことの利点は、上側セル基地局の位置を自由に選べることである。図３Ｄの重ね合わせ方法は、図３Ｄでより多くの空間がカバーされているので、図３Ｃにおける重ねあわせ方法より、より良好な空間受信範囲を提供している。
【００４５】
実際の上側セルラネットワークでは、対費用効果を上げ、高層ビルの受信範囲に対するフレキシビリティを実行するために、様々な重ね合わせ方法を組み合わせることができる。
【００４６】
図４Ａは、本発明の重要な概念を示す図であり、上側セル（または上側セクタ）と地上セル（地上セクタ）間の共有基地局と、上側セルと地上セル間の周波数の干渉を防ぐ方法を示す。またこれは、上側セルと地上セル間でセルラ周波数あるいは周波数スペクトラムと、基地局装置を共有し、この間の周波数干渉を除去するひとつの方法でもある。
【００４７】
各移動セルラシステムに使用可能な周波数スペクトラムは限定されており、特に都市領域では、ほとんど全ての周波数スペクトラムが現存の地上移動セルラシステムで完全に利用されているという事実から、上側セルラネットワークは、地上セルラネットワークとセルラ周波数あるいは周波数スペクトラムを共有しなくてはならないかもしれない。このことは、それらの間の周波数干渉という新たな問題を引き起こす。これは、本発明で容易に解決される。この解決とは、上側セルと、実質的に同じ位置にある地上セルが、基地局の発信機と受信機のすべて、あるいは一部を共有することである。これは、ＢＴＳ全体あるいはその一部を共有するということである。共有されている発信機と受信機は、移動セルラシステムの少なくとも一の制御チャンネルと、少なくとも一のトラフィックアンテナとを具える。上側セルの送信アンテナと、地上セルの送信アンテナは、スプリッタ／コンバイナあるいはカップラ（均等あるいは不均等にＲＦ信号を分割／結合する）で互いに接続されており、更に、共有の発信機（ＴＸｓ）に接続されている；上側セルの受信アンテナと地上セルの受信アンテナは、スプリッタ／コンバイナあるいはカップラで互いに接続されており、次いで、共有の受信機（ＲＸｓ）に接続されている。この解決においては、上側セルは地上空間における地上セルの延長になる。この間には干渉は生じない。共有の発信機で生成されるセルラ信号は、上側セルの送信アンテナの上方に向けて放射され、上側セルの加入者局に提供される。この信号はまた、地上セルの送信アンテナの下側方向に向けても放射され、地上セルの加入者局に提供される。共有の受信機は、上側セルの受信アンテナを介して上側セル内の加入者局から発信されたセルラ無線信号を受信する；この受信機は、地上セルの受信アンテナを介して地上セル内の加入者局で生成されたセルラ無線信号も受信する。この場合は、上側セルと地上セルは、セルラ周波数あるいは周波数スペクトラムと、キャリアやコントロールセンタ他などの、多くの移動セルラシステム装置も共有する。この解決は、対費用効果が大変高く、実行するのが容易である。現存の移動セルラシステムは、上側偏向アンテナを基地局のアンテナシステムに加えることで、その受信範囲を地上空間、特に高層ビルの上層階へ、最小コストで容易に拡大する。
【００４８】
図４Ａは、この解決に関する実施例である。上側セクタの上側偏向セクタアンテナ１０と、地上セクタの下側偏向セクタアンテナ１は、スプリッタ／コンバイナ３０（または、カプラ）で互いに接続されており、更に、ＲＦケーブル４でＢＴＳ５の共有発信機と受信機に接続されている。アンテナ１０のビームは、その装着位置から水平面上方に角度α(例えば、１０°)で上側に偏向しており、上側セクタ内の高層ビル２０を指している。アンテナ１のビームは、その装着位置から水平面下方へ角度β（例えば、８°）下側に偏向しており、地上セクタ内の地面と低層ビル２０ａを指している。両アンテナは、マスト３の上に装着されている。矢印５１は、ビーム（または主ローブ）軸である。図４Ａでは、上側セクタは、地上空間における地上セクタの延長になる。ＢＳＴ５の発信機で発生するセルラ信号はアンテナ１０の上方へ放射され、上側セクタの加入者局に提供される；これらの信号は、アンテナ１の下方にも放射され、地上セクタ内の加入者局に提供される。ＢＴＳ５の受信機は、アンテナ１０を介して上側セクタ内の加入者局が発生したセルラ無線信号を受信する；この受信機は、またアンテナ１を介して地上セクタ内の加入者局で発生したセルラ無線信号を受信する。上側偏向アンテナ１０は、図４Ａでは下側偏向アンテナ１の下に装着されているが、その上に、あるいは同じ高さに装着するようにしても良い。アンテナ１は、図４Ａでは下側偏向セクタアンテナとして示されているが、下側偏向全方向性アンテナであっても良い。アンテナ１０は、図４Ａには上側偏向セクタアンテナとして示されているが、上側偏向全方向性アンテナであってもよい。図４Ａには、マスト３が示されているが、塔や、屋根など、どのようなアンテナ支持構造であっても良い。図４Ａでは、ＢＴＳ５の全ての発信機と、全ての受信機が共有されているが、一部がアンテナ１とアンテナ１０で共有されていてもよい。図４Ａで、スプリッタ／コンバイナ（あるいはカプラ）がアンテナシステムに挿入されている場合、地上セクタのアンテナシステムに約３ｄＢのロスをもたらすことになる（ＲＦ信号が均等に分割されている場合）。都市領域におけるほとんどの地上側のセルおよびセクタのサイズは小さく、その基地局は低ゲインのアンテナを使用しているので、それらを高ゲインアンテナに置き換えることで、このロスを容易に補償することができる。図４Ａでは、アンテナ１とアンテナ１０は、それぞれ、送信および受信アンテナの両方として作用する。この解決において、上側セル（またはセクタ）は、地上セルラネットワークのネットワークキャリアと制御センタも共有している。（ここで、スプリッタ／コンバイナまたはカプラは、一の伝送路からの無線信号パワーを、送信方向における２又はそれ以上の伝送路にわけるものであり；受信方向における２またはそれ以上の伝送路からの無線信号を一の伝送路にまとめることを意味する。無線信号パワーが一の伝送路から２つの伝送路に均等に分けられる場合、これをパワーデバイダと呼ぶことがある。これは受動的な装置である。信号情報はその中では処理されない。送信および受信の両方向において、入力無線信号と出力無線信号は、信号強度の変化と、スプリッタ／コン��イナあるいはカプラ内部の無線伝送路であるがために、これらの間に生じるわずかな時間シフトを除いて、まったく同じ情報を含んでいる。送信方向においては、同じ入力信号から分かれた２またはそれ以上の方向の出力信号は、各方向における信号強度が互いに異なることおよび各方向への信号伝送路がスプリッタ／コンバイナあるいはカプラ内部で互いに若干異なるため、僅かな時間シフトが存在することを除けば、全く同じ情報を含んでいる。）
【００４９】
図４Ａは、上側セル(あるいは上側セクタ)と地上セル(あるいは地上セクタ)間の共有基地局の例でもある。上側セル（あるいは、上側セクタ）と地上セル(あるいは、地上セクタ)は、基地局の共通ＢＴＳを共有している。この基地局は共有の基地局である。共有の基地局の発信機と受信機の一部のみが上側セル（あるいは上側セクタ）と地上セル（あるいは地上セクタ）間で共有されていても良い。共有基地局の利点は明らかである。これは、受信範囲の拡大、コスト削減、周波数の削減、干渉耐性を含む。
【００５０】
図４Ｂは、本発明の共有基地局の他の実施例を示す図である。図４Ａで送受信アンテナの双方として使用されているアンテナではなく、図４Ｂでは、共有基地局で別々の送信および受信アンテナが使用されている。上側セクタ（あるいは、上側セル）の上側偏向アンテナ１０ｔと、地上セクタ（あるいは地上セル）の下側偏向アンテナ１ｔは、スプリッタ／コンバイナ３０（あるいは、カプラ）で互いに接続されており、さらにＲＦケーブル４でＢＴＳ５の共有発信機に接続されている；上側セクタ（あるいは、上側セル）の上側偏向アンテナ１０ｒと、地上セクタ（あるいは、地上セル）の下側偏向アンテナ１ｒは、別のスプリッタ／コンバイナ３０（あるいは、カプラ）で互いに接続されており、さらにＲＦケーブル４でＢＴＳ５の共有の受信機に接続されている。本実施例では、アンテナ１０ｔと１ｔは、送信アンテナとして作動し；アンテナ１０ｒと１ｒが受信アンテナとして作動する。アンテナ１０ｔと１０ｒは、ほぼ同じ上側偏向角度を有し、上側セクタ（あるいは、上側セル）においてほぼ同じ受信範囲レンジを有する；アンテナ１ｔと１ｒは、ほぼ同じ下側偏向角度を有し、地上セクタ（あるいは地上セル）において、ほぼ同じ受信範囲レンジを有する。
【００５１】
図４Ａおよび図４Ｂに示す状態では、上側偏向アンテナでカバーされている上側セクタ（あるいは上側セル）と下側偏向アンテナでカバーされている下側セクタ（あるいは下側セル）は、３Ｄ空間受信範囲領域を有する一のセクタ（あるいはセル）と考えることができる。上側セクタ（あるいは上側セル）は、地上空間における地上セクタ（あるいは地上セル）の延長である。加入者局がこれらの間で移動する場合、スイッチングは生じない。例えば、移動電話通話中に、図４Ａに示すように、高層ビル２０の一階から最上階へ人が移動した場合、その電話通話の無線通信リンクは、その者の移動電話とＢＴＳ５との間で維持される。
【００５２】
上側セルラネットワークと地上セルラネットワーク間の干渉を除去する他の解決策は、地理的領域内の上側セルラネットワークに専用のセルラ周波数あるいは周波数スペクトラムを用いることである。例えば、現存の移動セルラシステムに使用されていないいくつかの予備のセルラ周波数チャンネルを、上側セルラネットワークの専用セルラ周波数として使用することができる。この解決策において、上側セルラネットワークは、地上セルラネットワークから独立していてもよい。上側セルの基地局は、その地理的領域内のどこでも好みの位地におくことができる。これらの基地局は地上セルの基地局と同じ位置にある必要はない。上側セルラネットワークは、別のセルラネットワーク構造と周波数再使用プランを採用することができる。例えば、上側セルラネットワークは、４／１２周波数再使用プランを採用し、一方で、地上セルラネットワークが７／２１周波数再使用プランを採用してもよい。上側セルラネットワークは、地上セルラネットワークのシステムコントロールセンタを共有しても良く、あるいは、自身のシステムコントロールセンタを持つようにしても良い。
【００５３】
上述の二つの方法は、移動セルラシステム内で自在に合体させて、対費用効果があり、最大の受信範囲を実現できるようにできる。すなわち、いくつかの上側セルが基地局とシステムコントロールセンタを地上セルと共有し；いくつかの上側セルが自身の基地局とシステムコントロールセンタを有するか、あるいは地上セルとシステムコントロールセンタを共有する。
【００５４】
図２Ａも、上側セクタが基地局において専用の周波数あるいは周波数スペクトラムを使用している実施例を示す。
【００５５】
図２Ｂも、上側セルが基地局において専用の周波数あるいは周波数スペクトラムを使用している実施例を示す。
【００５６】
図４Ｃは、上側セルの基地局内で専用の周波数あるいは周波数スペクトラムが使用されている他の例である。図４Ｃでは、上側セクタの基地局と地上セクタの基地局が同じところに配置されている。専用の周波数または周波数スペクトラムが上側セクタのＢＴＳ４  １５に使用されている。上側セクタの上側偏向セクタアンテナ１０は、ＲＦケーブル４でＢＴＳ４  １５に接続している。地上セクタの下側偏向セクタアンテナ１は、ＲＦケーブル４でＢＴＳ１５に接続している。両アンテナがマスト３に装着されている。矢印５１はビーム（または主ローブ）軸である。アンテナ１とアンテナ１０は、それぞれ送受信アンテナとして作動する。図４Ｃにおいて、上側セクタのＢＴＳ４  １５と地上セクタのＢＴＳ１５は、互いに独立している。これらは、異なるセルラ周波数または周波数スペクトラムで作動する。
【００５７】
図５Ａ乃至図５Ｄは，上側セルラネットワークのシステムと、これが地上セルラネットワークのシステムと合体した実施例である。
【００５８】
本発明の上側セルラネットワークは、更に、少なくともコントロールセンタ（例えばスイッチセンタ）を具える。これは上側セルラネットワークの通信と、地上セルラネットワークとＰＳＴＮ（public switched telephone network）他のような、他のシステムとの通信を制御する。上側セルラネットワークと地上セルラネットワークは、共通のコントロールセンタを共有していても良い。
【００５９】
図５Ａは、本発明の上側移動セルラネットワークのシステムの実施例である。図５Ａにおいて、７つの上側セル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ及び２１ｇが、上側移動セルラネットワークを構成している。上側セル２１ａは、３つの上側セクタ２２ａ１、２２ａ２、２２ａ３に分かれ；上側セル２１ｃは、３つの上側セクタ２２ｃ１、２２ｃ２、２２ｃ３に分かれる。上側セル２１ｄは、完全セルではない。このセルは、二つの上側セクタ２２d１と２２ｄ３のみを具える。上側セル２１ｅは完全セルではない。このセルは、上側セクタ２２ｅ１のみを具える。上側セル２１ｆも完全セルではない。このセルは、上側セクタ２２ｆ１のみを具える。上側セル２１ｂおよび２１ｇは、セクタに分かれていない。これらは各々、上側偏向全方向アンテナでカバーされている。各上側セルはそのセルのほぼ中央にＢＴＳを有する。これらは、それぞれ、ＢＴＳ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆおよび１５ｇである。ＢＳＣ１（基地局コントロールセンタ）２５ａは、キャリア２７（ケーブル、ファイバ、マイクロ波無線、他）を介して各上側セル２１ａ、２１ｅ、２１ｆ、および２１ｇのそれぞれＢＴＳ１５ａ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇを制御する。ＢＳＣ２  ２５ｂは、キャリア２７を介して各上側セル２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄのそれぞれＢＴＳ１５ｂ、１５ｃ、および１５ｄを制御する。ＭＳＣ２４は、キャリア２６（ケーブル、ファイバ、マイクロ波無線、他）を介して、ＢＳＣ１  ２５ａおよびＢＳＣ２  ２５ｂを制御する。これは、ＰＳＴＮにも接続している。上側移動セルラシステムの構造と動作は、地上セルとセクタが、上側セルとセクタで置き換えられていること以外、現存の地上移動セルラシステムと同様である。このシステムがどのように作動するかは、公知である。これは本発明の範囲ではない。
【００６０】
図５Ｂは、上側移動セルラシステムと地上移動セルラシステムを一体化させた実施例である。図５Ｂに示すとおり、破線と破線円は、地上移動セルラネットワークを示し、実線と実線円は、上側移動セルラネットワークを示す。これらは一体化されている。地上移動セルラネットワークは、７つの地上セル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ及び１１ｇを具える。各地上セルは、セルのほぼ中央にＢＴＳを有する。これはそれぞれ、ＢＴＳ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ及び５ｇである。ＢＳＣ１  ２５ａは、キャリア２７を介して地上セル１１ａ、１１ｅ、１１ｆおよび１１ｇを制御する。ＢＳＣ２  ２５ｂは、キャリア２７を介して地上セル１１ｂ、１１ｃおよび１１ｄを制御し、ＭＳＣ２４は、キャリア２６を介してＢＳＣ１  ２５ａとＢＳＣ２  ２５ｂを制御する。各地上セルは３つの地上セクタに分割されている。例えば、地上セル１１ｄは、地上セクタ１２ｄ１、１２ｄ２および１２ｄ３に分割されている。上側移動セルラネットワークは、５つの上側セル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｆおよび２１ｇを具える。上側セル２１ａは、３つの上側セクタ２２ａ１、２２ａ２、２２ａ３に分割されており；上側セル２１ｂは３つの上側セクタ２２ｂ１、２２ｂ２および２２ｂ３に分割されており；上側セル２１ｇは、３つの上側セクタ２２ｇ１、２２ｇ２および２２ｇ３に分割されている。上側セル２１ｃは完全全セルではない。このセルは、二つのセクタ２２ｃ１と２２ｃ３のみを具える。上側セル２１ｆも完全セルではない。このセルは上側セクタ２２ｆ１のみを具える。この実施例では、各上側セルは地上セルと共通ＢＴＳを共有している。上側セル２１ａは、地上セル１１ａのＢＴＳ５ａを共有しており；上側セル２１ｂは、地上セル１１ｂのＢＴＳ５ｂを共有しており；上側セル２１ｃは地上セル１１ｃのＢＴＳ５ｃを共有しており；上側セル２１ｆは地上セル１１ｆのＢＴＳ５ｆを共有しており；上側セル２１ｇは、地上セル１１ｇのＢＴＳ５ｇを共有している。したがって、上側移動セルラネットワークは地上移動セルラネットワークのＢＳＣ１  ２５ａ、ＢＳＣ２  ２５ｂ、及びＭＳＣ２４も共有している。この実施例は、上側偏向アンテナが地上セル及び／又は地上セクタのアンテナと互いに接続されていて、移動セルラシステム中のいくつかの地上セル及び／又は地上セクタのＢＴＳを共有している状態を示す（図４Ａに示されているとおり）。これは、移動セルラネットワークの受信範囲を高層ビルの上層階へ拡大するのに最も対費用効果の高い方法である。このシステムがどのように作動するかは公知であり、本発明の範囲ではない。
【００６１】
図５Ｂは、又、共有基地局と、上側セルラネットワークと地上セルラネットワーク間の干渉を防ぐための方法についての実施例である。
【００６２】
図５Ｃは上側移動セルラシステムと地上移動セルラシステムを合体させた他の実施例を示す図である。図５Ｃに示すように、破線および破線円は、地上移動セルラネットワークを示し；実線および実線円は上側移動セルラネットワークを示す。これらのネットワークは一体的に構成されている。地上移動セルラネットワークは、７つの地上セル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆおよび１１ｇを具える。各地上セルは、そのセルのほぼ中央にＢＴＳを有する。これらのＢＴＳは、それぞれＢＴＳ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆおよび５ｇである。ＢＳＣ１  ２５ａは、キャリアを介して地上セル１１ａ、１１ｅ、１１ｆおよび１１ｇを制御する。ＢＳＣ２  ２５ｂは、キャリアを介して地上セル１１ｂ、１１ｃおよび１１ｄを制御し、ＭＳＣ１  ２４ａは、キャリアを介してＢＳＣ１  ２５ａとＢＳＣ２  ２５ｂを制御する。図５Ｂの場合と違って、図５Ｃでは上側セルと地上セル間で、ＢＴＳ、ＢＳＣ、およびＭＳＣを共有していない。上側移動セルラネットワークは、３つの上側セル２１ａ、２１ｂ、および２１ｃを具えている。各上側セルは、地上セルの境界のほぼ近くに位置している。上側セル２１ａは完全セルではない。このセルは二つの上側セクタ２２ａ１と２２ａ３を具える。上側セル２１ｂはセクタを持たない。これは、一の上側偏向全方向アンテナでカバーされても良い。上側セル２１ｃは、３つの上側セクタ、２２ｃ１、２２ｃ２および２２ｃ３に分割されている。各上側セルは、セルのほぼ中央（方位方向について）にＢＴＳを有している。それらはそれぞれ、ＢＴＳ１５ａ、１５ｂおよび１５ｃである。ＢＳＣ３  ２５ｃは、キャリア２７を介してこれらを制御する。上側移動セルラネットワークは、自身のコントロールセンタＭＳＣ２  ２４ｂを有する。これは、キャリア２６を介してＢＳＣ３  ２５ｃを制御する。ＭＳＣ２４ｂも、ＰＳＴＮに接続している。この実施例では、上側移動セルラシステムは地上移動セルラシステムから独立している。
【００６３】
図５Ｃは、又、上側セルラネットワーク内で専用の周波数あるいは周波数スペクトラムを用いて上側セルラネットワークと地上セルラネットワーク間の干渉を防ぐ方法の実施例である。専用の周波数は、図５Ｃにおいて上側セル１５ａ、１５ｂおよび１５ｃで、地上セルラネットワークとの干渉を防御するために使用されている。
【００６４】
図５Ｄは、上側移動セルラシステムと地上移動セルラシステムをより複雑に一体化した例である。これは、図５Ｂと図５Ｃの一体化した実施例を組み合わせたものである。すなわち、いくつかの上側セルと上側セクタが、地上セル、地上セクタ及び地上セルラネットワークのＢＴＳｓ、ＢＳＣｓおよびＭＳＣを共有しており；いくつかの上側セルと上側セクタは、自身のＢＴＳｓ、ＢＳＣｓ、及びＭＳＣを有している。図５Ｄでは、上側セル２１ｓが、地上セル１１ｂのＢＴＳ５ｂを共有している。これは、二つの上側セクタ２２ｓ１と２２ｓ３を具えている。上側セル２１ｔは、地上セル１１ｃのＢＴＳ５ｃを共有している。これは、二つの上側セクタ２２ｔ１と２２ｔ３を具えている。上側セル２１ｓと２１ｔは、地上移動セルラネットワークのＢＳＣ２  ２５ｂとＭＳＣ１  ２４ａを共有している。上側セル２１ａ、２１ｂおよび２１ｃの各々が、地上セルのボーダ近傍に配置された自身のＢＴＳを具える。これらは、それぞれＢＴＳ１５ａ、１５ｂ、１５ｃである。また、これらは自身のＢＳＣ３  ２５ｃと、ＭＳＣ２  ２４ｂを有する。全ての上側セル２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｓおよび２１ｔが、一の上側移動セルラネットワークを構成する。この実施例は、移動セルラシステムにフレキシビリティと、対費用効果を提供し、その受信範囲を地上空間へ拡大する。
【００６５】
図５Ｄは、又、上側セルと地上セル間で基地局を共有することによって干渉を防ぐ方法と、上側セルラネットワーク内で専用の周波数あるいは周波数スペクトラムを用いて干渉を防ぐ方法を組み合わせた実施例である。専用の周波数が図５Ｄの上側セル２１ａ、２１ｂおよび２１ｃで用いられており、地上セルとの干渉を防ぐようにしている。
【００６６】
ＣＤＭＡ移動セルラシステム用に、両セルの基地局が同じところに配置されていない場合では、地上セルの同じ広がりのスペクトラムを上側セルにおいて再使用することができる。この場合、空中で上側セルは地上セルの隣接セルとして作用する。例えば、移動セルラシステムが図５Ｃに示すＣＤＭＡシステムである場合、上側セル２１ａ、２１ｂおよび２１ｃは、地上セルの同じ広がりのスペクトラムを使用することができる。上側セル２１ａと２１ｃの隣接セルとして動作する一方で、上側セル２１ｂはさらに地上空間において地上セル１１ａ、１１ｂ、１１ｇの隣接セルとして作用する。３Ｄセルラネットワークでは、３Ｄ視野における隣接セルを考えなければならない。
【００６７】
典型的な基地局セクタアンテナは、地上セクタの受信範囲に好適であるように、ビームパターンが方位において広く、仰角において狭い。図６Ａは、典型的な基地局セクタアンテナと、そのビームパターンと、受信範囲を示す。セクタアンテナ３１は、垂直面において整列している放射エレメント（例えば、ダイポール）セット３２を具える。これは、方位ビーム角φ（例えば、４５°）が仰角ビーム角Θ（例えば、１０°）よりずっと大きいビーム３３を発する。ビーム３３は、アンテナ３１が高層ビルの近くにあるとき（例えば、５００メートル）は、たとえ上側偏向していても、高層ビル２０全体をカバーすることはできない。軸ＸＹＺが、参考に示されている。（軸Ｙは仰角方向を、軸ＸとＺは、水平面における二つの直交する方向を示す。）
【００６８】
高層ビルはどこにでもあるわけではない。高層ビルは、都市の小さなコアビジネス領域に集中しており、広い都会では散在している。一の地理的領域においてカバーされるべき高層ビルは、おそらく僅かである。都市の移動セルラシステムでは小さなサイズのセルが採用されているので、多くのセルラ基地局が高層ビルの近くに配置されている。上側セル全体を扱う代わりに、基地局アンテナが、個々の高層ビルに受信範囲を集中させるようにしても良い。こうすることによって、アンテナの放射がセル全体におけるよりもセル中のつなぎ合わせたスペースにおいて集中するので、高層ビル内により強いセルラ信号を得、セルラネットワーク内の干渉がより少なくなるというシステムパフォーマンスへの利点がある。
【００６９】
本発明は、移動セルラシステム用に高層ビル内のセルラ信号受信範囲用の他の方法を提供するものである。すなわち、移動セルラシステムの基地局に対して、方位性ビーム幅より大きな仰角ビーム幅を有するビームを発する狭いビームアンテナを提供する。このアンテナは、基地局のＢＴＳに接続している。これは、仰角が広く、方位が狭いビームパターンのＢＴＳによって発生するセルラ信号を放射し、そのビームを近くの高層ビルへ当てる。干渉を防ぐために、そのビームが上側に偏向して上側を指すか、あるいは専用セルラ周波数あるいは周波数スペクトラムが基地局内で使用されているかしている。この解決法は、単一の高層ビルや、近距離で隣り合っている高層ビル群をカバーするのに有益である。
【００７０】
図６Ｂは、このアンテナと方法の実施例である。アンテナ３４は、水平面において整列している放射エレメント（例えば、ダイポール）セット３５を具える。これは、仰角ビーム幅Θ（例えば４５°）が方位ビーム幅φ（例えば、１０°）より広いビーム３６を発する。このアンテナは角度α（例えば、３０°）上側偏向して、高層ビル２０をカバーしている。座標ＸＹＺが、参考に示されている。アンテナ３４は容易に実現され得る。図６Ａのアンテナ３１を、Ｘ軸を中心に時計方向に９０°回すだけで、図６Ｂのアンテナ３４になる。アンテナ３４は、近距離にある個々の、または、高層ビルの小さな群を受信範囲とするのに適する。
【００７１】
図７Ａ乃至７Ｆは、上側セル（あるいは上側セクタ）と地上セル（あるいは地上セクタ）の双方を一本のアンテナでカバーすることができる、新型のマルチビームマルチ偏向アンテナを示す図である。
【００７２】
アンテナの装着スペースが限られており、基地局のアンテナ支持構造上に多くのアンテナが装着されるので、アンテナが多重機能を有することが好ましい。スペースを節約できるのに加えて、多機能アンテナは経済的でもある。このため、地上セル（または地上セクタ）と上側セル（または上側セクタ）の双方を単一のアンテナでカバーできる新型のは、ハウジング内に配置されている。第１の放射エレメントセットは、第１の方向マルチビームマルチ偏向基地局アンテナが発明されている。このアンテナは、少なくとも２セットの放射エレメント、支持装置及びそのビームを偏向させる手段を具える。各放射エレメントのセットは、少なくとも２つの放射エレメントを具える。各セットの放射エレメントは、スペースを空けて離れた関係の支持装置に装着されている。このアンテナはまた、一の装着構造と、一のハウジングと、一または複数の信号入力／出力ポートも具える。放射エレメントセットと、支持装置と、ビーム偏向手段に第１のビームを発し、第２の放射エレメントセットは、前記第１の方向とは異なる第２の方向に第２のビームを発する。ビーム偏向手段は、これらのビームの各々を予め決められた方向に偏向させるための、機械的手段、あるいは電気的手段、あるいはその双方を具える。従って、このアンテナは、２方向に無線信号受信範囲を提供する。各ビームは全方向性、あるいは指向性であっても良い。第１のセットと第２のセットは、同じ移動セルラ周波数帯域で動作しても、あるいは、全体的に重なり合っていない異なる移動セルラ周波数帯で動作しても良い。第１のビームの極性と第２のビームの極性は、同じであっても、異なっていても良い。二つのビーム間の角度は３°〜６０°の間である。本発明においては、このアンテナがセルラ基地局で使用されるときに、その第１のビームが下側を指し第２のビームが上側を指すことが好ましい。そうすることによって、地上セル（あるいは地上セクタ）と上側セル（あるいは上側セクタ）の双方が一本のアンテナで扱われる。
【００７３】
図７Ａは、単一のセルラ周波数帯域にあり垂直極性の、本発明のマルチビームマルチ偏向基地局アンテナの実施例である。図７Ｂは、仰角におけるそのローブパターンを示す。デュアルビームデュアル偏向アンテナ３８は、放射エレメント３９（破線の上）と４０（破線の下）の２セットを具える。両セット共に、垂直極性であり、同じ周波数帯（たとえば、８００ＭＨｚセルラ周波数帯）で作動する。セット３９は、互いに離れている４つの放射エレメントを具え、支持装置（例えば接地させたプレート）上に装着されている。このアンテナは、角度β（例えば、８°）で水平面の下方に下側に偏向したビーム３７ｂを発する。セット４０は、互いに離れている４つの放射エレメントを具え、支持装置上に装着されている。これは、水平面上に角度α（例えば、１０°）上側に偏向したビーム３７ａを発する。矢印５１ａは、ビーム３７ａの軸である。矢印５１ｂは、ビーム３７ｂの軸である。ビーム３７ａと３７ｂは、それぞれ、送信及び受信方向においてほぼ同じ特性を有する。ポート４１はアンテナのＲＦ信号入力／出力である。各ビームの偏向は、機械的に、あるいは電気的に、あるいはその両方で、実現することができる。
【００７４】
図７Ｅは、図７Ａに示すアンテナ３８の各ビームを予め決められた方向に偏向させる電気的手段の実施例である。セット３９の４つの放射エレメント３９ａ、３９ｂ、３９ｃおよび３９ｄは、接地された支持プレート４７上にほぼ同じスペースを空けて装着されている。セット４０の４つの放射エレメント４０ａ、４０ｂ、４０ｃおよび４０ｄも、接地された支持プレート４７上にほぼ同じスペースを空けて装着されている。支持プレート４７はほぼ垂直方向にある。符号５０ａは、セット３９の信号供給回路である。これは、スプリッタ４９（信号を均等にあるいは不均等に分ける）を介してポート４１に接続している。放射エレメント３９ａ、３９ｂ、３９ｃおよび３９ｄへの供給回路は、次第に長さが増えている。従って、そこで次第に位相が増加している（例えば、エレメント３９ａから始まって、エレメント３９ｂでは位相がδ増え、エレメント３９ｃでは２δ増え、エレメント３９ｄでは、３δ増える。）従って、セット３９で発生したビームは、下側に偏向している。（下側偏向角度は、周波数と位相シフトステップδに依存する）。符号５０ｂは、セット４０への信号供給回路である。この回路は、スプリッタ４９を介してポート４１に接続している。放射エレメント４０ａ、４０ｂ、４０ｃおよび４０ｄへの信号供給は、次第に長さが短くなっている。そこで、位相はこれらにおいて次第に小さくなる（例えばエレメント４０ａから始まって、エレメント４０ｂでは位相がγ減り、エレメント４０ｃでは２γ減り、エレメント４０ｄでは、３γ減る。）従って、セット４０によって発生するビームは上側に偏向する。（上側偏向角度は、周波数及び位相シフトステップγに依存する。）ハウジング４５の内側背面に反射板４６を配置して、放射信号を反射して戻している。全放射エレメント、支持プレート４７、供給回路５０ａ、５０ｂ、スプリッタ４９および反射板４６は、ハウジング４５内に配置されている。装着構造は、ハウジング４５の外側背面に取り付けられている（図示せず）。したがって、図７Ｅにおけるアンテナは、一の上側偏向ビームと一の下側偏向ビームを発生する。これは、シングルバンドデュアルビームデュアル偏向基地局セクタアンテナである。
【００７５】
図７Ｃは、デュアル移動セルラ周波数帯域とクロス極性の、本発明のマルチビームマルチ偏向アンテナの他の実施例である。図７Ｄは、これの仰角におけるローブパターンを示す。デュアルビームデュアル偏向アンテナ４２は、２セットの放射エレメント４３（破線の上側）と、４４（破線の下側）を有する。両セットは、クロス極性である。セット４３は、第１の周波数帯域（例えば、８００ＭＨｚセルラ帯域）で作動し、セット４４は、異なる周波数帯（例えば、１９００ＭＨｚセルラ帯域）で動作する。セット４３は、互いに離れている４つのエレメントを具え、支持装置、（例えば、接地されたプレート）上に装着されている。これは、水平面の下側に角度β（例えば、８°）下側に偏向するビーム３７ｄを発生する。セット４４は、互いに離れている４つのエレメントを具え、支持装置の上に装着されている。これは、水平面の上側に角度α（例えば、１０°）上側に偏向しているビーム３７ｃを発生する。矢印５１ｃは、ビーム３７ｃの軸である。矢印５１ｄは、ビーム３７ｄの軸である。ビーム３７ｃと３７ｄは、各々、送信および受信方向の双方において、ほぼ同じ特性を有する。ポート４１は、セット４３のＲＦ信号入力／出力である。ポート４１ｂは、セット４４のＲＦ信号入力／出力である。各ビームの偏向は、機械的、あるいは電気的、またはこの双方で実現することができる。
【００７６】
図７Ｆは、図７Ｃにおけるアンテナ４２の各ビームを予め決められた方向に偏向させる機械的手段を示す。セット４３は、４つの放射エレメント４３ａ、４３ｂ、４３ｃおよび４３ｄを具える。これらは、接地された支持プレート４７ａ上にほぼ同じ間隔を空けて装着されている。支持プレート４７ａは、垂直方向から角度β下側に傾いている。セット４４は、４つの放射エレメント４４ａ、４４ｂ、４４ｃおよび４４ｄを含む。これらのエレメントは、接地された支持プレート４７ｂにほぼ同じ間隔を空けて装着されている。支持プレート４７ｂは、垂直方向から角度α上側に傾いている。符号４８ａは、セット４３用の信号供給回路である。この回路はポート４１ａに接続している。各放射エレメントへの供給回路は、ほぼ同じ長さであり、同じ位相である。従って、セット４３は、支持プレート４７ａに対して直角の方向にビームを発生する。符号４８ｂは、セット４４用の信号供給回路である。この回路は、ポート４１ｂに接続している。各放射エレメントへの供給回路は、ほぼ同じ長さでほぼ同じ位相である。したがって、セット４４は、支持プレート４７ｂに対して直角の方向にビームを発生する。反射板４６が、ハウジング４５の内側背面に配置されて、放射信号を反射して戻している。装着構造は、ハウジング４５の背面外側に取り付けられている（図示せず）。符号４９は、供給回路内のスプリッタである。全放射エレメント、支持プレート４７ａと４７ｂ、供給回路４８ａと４８ｂ、反射プレート４６は、ハウジング４５の内側に配置されている。したがって、図７Ｆのアンテナは、角度β下側偏向したビームと、角度α上側偏向したビームを発生する。これは、デュアルバンドデュアルビームデュアル偏向基地局セクタアンテナである。
【００７７】
本発明のマルチビームマルチ偏向アンテナは、３Ｄ空間受信範囲を提供するために移動セルラシステムの基地局に適用することができる。この適用において、マルチビームマルチ偏向アンテナは、基地局のＢＴＳに接続している。その一本のビームは、下側を指して地上セル（あるいは地上セクタ）をカバーしており、他の一本のビームは上側を指して、上側セル（あるいは上側セクタ）をカバーしている。したがって、この基地局は、３Ｄ空間受信範囲を提供する。例えば、図７Ａにおけるシングルバンドデュアルビームデュアル偏向アンテナ３８は、図４Ａのアンテナ１、アンテナ１０およびスプリッタ／コンバイナ（あるいはカップラ）３０を置き換えるのに使用することができる。このポート４１は、ＢＴＳ５に接続している。この一本のビームが上側を指し、他のビームが下側を指して、地上セクタと上側セクタの双方をカバーするようにしている。この適用において、アンテナ３８は、合体した上側偏向アンテナ１０と下側偏向アンテナ１として作用する。他の例では、図７Ｃのデュアルバンドデュアルビームデュアル偏向アンテナ４２は、図４Ｃのアンテナ１とアンテナ１０を置き換えるのに使用することができる。このポート４１ａは、地上セクタのＢＴＳ１  ５に接続しており、ポート４１ｂは、上側セクタのＢＴＳ４  １５に接続している。アンテナ４２は、地上セクタをカバーするためにＢＴＳ１  ５で発生させたビームを下側に向ける。アンテナ４２は、上側セクタをカバーするためにＢＴＳ４  １５で発生させたビームを上側に向ける。したがって、これは地上セクタと上側セクタの双方をカバーする。
【００７８】
本発明の達成は、移動セルラシステム用に高層ビルでのセルラ信号受信範囲を得るための対費用効果のある解決法である。本発明のネットワーク、方法、基地局およびアンテナは、地上あるいは地上空間でセルラ信号受信範囲を提供するために他のセルラ通信システムにも使用することができる。
【００７９】
上記において、公知の同等物を含んだ言及がなされている場合、このような同等物は、個々に示されたと同様にここに援用するものとする。
【００８０】
本発明は、例として説明されており、その可能性のある実施例に関連して説明されているが、当然のことながら本発明の範囲または精神から離れることなく改良及び変形を行うことができる。例えば、基地局、特にアップリンクにおけるアンテナスペースダイバーシティは、マルチパスフェーディングを解決し、移動セルラシステムにおけるシステムパフォーマンスを改善するために、地上セルとセクタにおいて使用されている共通の方法である。これは、上側セルと上側セクタの基地局において同じ目的で使用することができる。すなわち、上側セル（あるいは、上側セクタ）の基地局において上側偏向アンテナ用に上側偏向スペースダイバーシティアンテナを加えることである。他の例は、基地局においてＢＴＳを共有している上側偏向アンテナと下側偏向アンテナは、図７Ａにおけるアンテナ３８のように、同じ機能を提供する一本のアンテナに合体させた形にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１Ａ】図１Ａ（従来技術）は、移動セルラシステムの典型的な基地局と、その受信範囲を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂ（従来技術）は、図１Ａにおける下側偏向セクタアンテナの仰角におけるローブパターンを示す図である。
【図１Ｃ】図１Ｃ（従来技術）は、移動セルラシステムの典型的な地上セルの３Ｄ受信範囲の形状を示す図である。
【図１Ｄ】図１Ｄ（従来技術）は、地上移動セルラネットワークの３Ｄ受信範囲の形状を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、上側偏向セクタアンテナが高層ビルの上層階を受信範囲にしている図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、上側偏向全方向アンテナが、高層ビルの上層階を受信範囲にしている図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、上側偏向送受信セクタアンテナが、高層ビルの上層階を受信範囲にしている図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ａの上側偏向セクタアンテナの仰角におけるローブパターンを示す図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の上側セルの３Ｄ受信範囲の形状を示す図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、本発明の上側セルとセクタの３Ｄ受信範囲の形状を示す図である。
【図２Ｇ】図２Ｇは、本発明の上側セルラネットワークの３Ｄ受信範囲の形状を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第１の方法における地上セルラネットワーク上にある上側セルラネットワークに伴う仰角における空間受信範囲プロファイルを示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第２の方法における地上セルラネットワーク上にある上側セルラネットワークに伴う仰角における空間受信範囲プロファイルを示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、第３の方法における地上セルラネットワーク上にある上側セルラネットワークに伴う仰角における空間受信範囲プロファイルを示す図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、第４の方法における地上セルラネットワーク上にある上側セルラネットワークに伴う仰角における空間受信範囲プロファイルを示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の方法の実施例及び、上側セルと地上セル間の干渉をなくすための本発明の共有基地局を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の方法の実施例及び、上側セルと地上セル間の干渉をなくすための本発明の共有基地局発信機と受信機を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、上側セルラネットワーク内で専用周波数あるいは周波数スペクトラムを用いた、上側セルと地上セル間の干渉をなくすための本発明の方法の実施例を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の上側セルラネットワークのシステム構造の実施例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、上側セルラネットワークと地上セルラネットワークのシステム一体化の実施例を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、上側セルラネットワークと地上セルラネットワークのシステム一体化の実施例を示す図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、上側セルラネットワークと地上セルラネットワークのシステム一体化の実施例を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａ（従来技術）は、典型的な基地局セクタアンテナと、そのビームパターンおよび受信範囲を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、狭いビームアンテナを用いた高層ビルの受信範囲用の方法の実施例を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、シングルバンドにおける本発明のマルチビームマルチ偏向アンテナの実施例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａのアンテナの仰角におけるローブパターンである。
【図７Ｃ】図７Ｃは、デュアルバンドにおける本発明のマルチビームマルチ偏向アンテナの実施例を示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、図７Ｃのアンテナの仰角におけるローブパターンである。
【図７Ｅ】図７Ｅは、マルチビームマルチ偏向アンテナの機械的なビーム偏向手段の実施例を示す図である。
【図７Ｆ】図７Ｆは、マルチビームマルチ偏向アンテナの電気的なビーム偏向手段の実施例を示す図である。
2005535201.tif 000003
2005535201.tif 000004
2005535201.tif 000005
2005535201.tif 000006
2005535201.tif 000007
2005535201.tif 000008
2005535201.tif 000009
2005535201.tif 000010
2005535201.tif 000011
2005535201.tif 000012
2005535201.tif 000013
2005535201.tif 000014
2005535201.tif 000015
2005535201.tif 000016
【国際調査報告】
2005535201.tif 000017
2005535201.tif 000018
2005535201.tif 000019