(57)【要約】【課題】１８０度を超える広い角度に亘り存在する複数の無線局との間のチャネル情報の相関を抑制する。【解決手段】アンテナ装置は、平面又は平面に近似可能な曲面である準平面上に行方向及び列方向に二次元配置された複数のアンテナ素子を有し、１８０度を超える広い角度に亘る範囲を通信可能範囲にするように配置された複数のアンテナと、少なくとも二つの異なるアンテナに備えられたアンテナ素子と接続され、接続されたアンテナ素子から一つのアンテナ素子を選択し、選択したアンテナ素子を基地局装置が備える信号処理回路に接続する複数の切替スイッチと、複数の切替スイッチに対して同じタイミングで選択を切り替えさせるタイミング管理回路とを備える。複数の切替スイッチで選択されるアンテナ素子を備えるアンテナは、一つであるか、二つ以上である場合にはアンテナの送受信可能な領域に重複がない。【選択図】図１
2015233194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線局と通信を行う基地局装置に備えられるアンテナ装置であって、
平面又は前記平面に近似可能な曲面である準平面上に行方向及び列方向に二次元配置された複数のアンテナ素子を有し、１８０度を超える広い角度に亘る範囲を通信可能範囲にするように配置された複数のアンテナと、
少なくとも二つの異なる前記アンテナに備えられた前記アンテナ素子と接続され、接続された前記アンテナ素子から一つのアンテナ素子を選択し、選択したアンテナ素子を前記基地局装置が備える信号処理回路に接続する複数の切替スイッチと、
前記複数の切替スイッチに対して同じタイミングで選択を切り替えさせるタイミング管理回路と
を備え、
前記複数の切替スイッチで選択される前記アンテナ素子を備える前記アンテナは、一つであるか、二つ以上である場合には前記アンテナの送受信可能な領域に重複がない
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記アンテナそれぞれにおける前記複数のアンテナ素子は、
前記アンテナを設置した際に当該アンテナの平面又は準平面と水平面とが交差する直線で表される射影軸に対して射影された場合に、前記射影軸上における各アンテナ素子の射影点が互いに重ならず略等間隔になる位置に配置される
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のいずれかに記載のアンテナ装置において、
前記アンテナそれぞれにおける前記複数のアンテナ素子の配置は、
矩形格子の格子点に前記アンテナ素子を配置した状態に対して、前記矩形格子の行に含まれる前記アンテナ素子同士の間隔を二次元配置の行数で等分割した距離を第１のシフト量として列方向に隣り合う行ごとに、行に含まれる前記アンテナ素子の位置を行方向に前記第１のシフト量ずつずらした配置である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
前記複数のアンテナは、
辺の数が偶数の正多角形の辺に対応する位置に配置され、
前記複数の切替スイッチで選択される前記アンテナ素子を備える二つの前記アンテナは、
それぞれのアンテナの平面又は準平面が平行であり、前記アンテナ素子が配置されている面が互いに反する向きである
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
前記アンテナ素子は、指向性アンテナであり、
前記アンテナが有する前記アンテナ素子それぞれは、前記アンテナごとに、最大利得を示す方向が同一である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアンテナ装置と、
前記切替スイッチで選択された前記アンテナ素子それぞれの信号に対する信号処理を並行して行う信号処理回路と
を備えることを特徴とする基地局装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置及び基地局装置に関する。
【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（Multiple Input Multiple Output）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素子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素子の場合には、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。
【０００４】
また、最近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。
【０００５】
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側のアンテナ素子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アンテナ素子から受信局のアンテナ素子までの間のチャネル情報をｈｊ（ｋ）としたときに、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素子から送信する。なお、上記チャネル情報は、厳密には、送信系及び受信系の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。
【０００６】
【数１】
2015233194.tif 000003
【０００７】
送信側の第１アンテナ素子から第Ｎアンテナ素子それぞれに対応するチャネル情報を成分とするベクトル（ｈ１（ｋ），…，ｈｊ（ｋ），…，ｈＮ（ｋ））をチャネルベクトルｈ（ｋ）と称する。また、送信側の第１アンテナ素子から第Ｎアンテナ素子に対応する送信ウエイトを成分とするベクトル（ｗ１（ｋ），…，ｗｊ（ｋ），…，ｗＮ（ｋ））Ｔ（Ｔは転置を表す。）を送信ウエイトベクトルｗ（ｋ）と称する。なお、厳密には、ダウン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、記号「→」を省略すると共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及びノイズ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ないので「→」を省略して説明する。受信信号Ｒｘは、送信信号Ｔｘ及びノイズｎに対して下記の数式（２）で与えられる。
【０００８】
【数２】
2015233194.tif 000004
【０００９】
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ｈｊ（ｋ）の絶対値を全アンテナ成分に亘って加算した値がチャネル利得として得られる。Ｎ本アンテナ素子であれば、受信信号の振幅は１本のアンテナ素子で送信した場合の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。
【００１０】
一般的には、シャノンの定理により、ＳＮＲ（Signal-Noise Ratio）の改善量に対する伝送容量の増加は、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素子を備え、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。複数の送信側のアンテナ素子と受信側のアンテナ素子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。
【００１１】
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及び特異値λを対角成分にもつ対角行列Ｄに分解する。
【００１２】
【数３】
2015233194.tif 000005
【００１３】
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。
【００１４】
【数４】
2015233194.tif 000006
【００１５】
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。
【００１６】
【数５】
2015233194.tif 000007
【００１７】
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合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。
【００１８】
上記は、１台の基地局と１台の端末局と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、各端末局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。
【００１９】
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。
【００２０】
【数６】
2015233194.tif 000008
【００２１】
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ようにＣが決定される。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。
【００２２】
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）。
【００２３】
図１１は、大規模アンテナシステムの概要を示す図である。図１１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１１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）のアンテナ素子を備え、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と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のパスなどに加え、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のパスが混在する。なお、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。
【００２４】
図１２は、見通し環境及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１２（ａ）は見通し外環境でのインパルス応答を、図１２（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１２（ａ）及び（ｂ）において、横軸は遅延時間を表し、縦軸は各遅延波の受信レベルを表す。図１２（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。
【００２５】
これに対し、図１１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よりも一般的に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伴う減衰により、図１２（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ともに毎回安定して同様の値が得られる。しかし、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て平均値０に近づく。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。
【００２６】
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基に、基地局１（図１１参照）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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、チャネル情報の相関（チャネル相関）のより低い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素子と第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）」はベクトルであり、本来は記号「→」をｈの上に付与してベクトルであることを明示すべきであるが省略する。以下、同様に説明の上では省略する。）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。
【００２９】
【数７】
2015233194.tif 000009
【００３０】
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、基地局を基準としたときの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１３は、基地局から角度θの方位差をもって存在する二つの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）及びｈ２（ｋ）とすると、チャネル相関の方位差角度θに対する依存性を計算することができる。
【００３１】
図１４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方位差角度θに対する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、基地局のアンテナ素子の数を１２８本とし、５．２ＧＨｚの周波数帯において、２波長間隔で１２８本のアンテナ素子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、基地局を中心とした円上で無線局を移動させながらチャネル相関を算出している。図１４に示されるシミュレーション結果を読み取ると、方位差角度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、所定の角度α度を越えるとチャネル相関は概ね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】
【００３２】
【非特許文献１】太田厚、黒崎聰、丸田一輝、新井拓人、飯塚正孝、「Ｂ−５−１７５  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講演論文集２０１３年（通信＿１）、２０１３年３月５日、ｐ．５８５
【非特許文献２】新井拓人、太田厚、黒崎聰、丸田一輝、飯塚正孝、「Ｂ−５−１７６  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エイト算出法」、電子情報通信学会総合大会講演論文集２０１３年（通信＿１）、２０１３年３月５日、ｐ．５８６
【非特許文献３】丸田一輝、太田厚、黒崎聰、新井拓人、飯塚正孝、「Ｂ−５−１７７  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講演論文集２０１３年（通信＿１）、２０１３年３月５日、ｐ．５８７
【非特許文献４】黒崎聰、太田厚、丸田一輝、新井拓人、飯塚正孝、「Ｂ−５−１７８  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講演論文集２０１３年（通信＿１）、２０１３年３月５日、ｐ．５８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
図１４に示されるシミュレーション結果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チャネル相関が低い。しかし、角度差が２５度程度を超えるとチャネル相関はランダムに変動し、時折、チャネル相関が０．２を超える場合がある。０．２というチャネル相関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、このチャネル相関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。ＳＩＲ特性を向上させれば、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伝送モードを維持したままで空間多重数を増加させることができる。
【００３４】
上記事情に鑑み、本発明は、１８０度を超える広い角度に亘り存在する複数の無線局との間のチャネル情報の相関を抑制できるアンテナ装置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】
【００３５】
本発明の一態様は、複数の無線局と通信を行う基地局装置に備えられるアンテナ装置であって、平面又は前記平面に近似可能な曲面である準平面上に行方向及び列方向に二次元配置された複数のアンテナ素子を有し、１８０度を超える広い角度に亘る範囲を通信可能範囲にするように配置された複数のアンテナと、少なくとも二つの異なる前記アンテナに備えられた前記アンテナ素子と接続され、接続された前記アンテナ素子から一つのアンテナ素子を選択し、選択したアンテナ素子を前記基地局装置が備える信号処理回路に接続する複数の切替スイッチと、前記複数の切替スイッチに対して同じタイミングで選択を切り替えさせるタイミング管理回路とを備え、前記複数の切替スイッチで選択される前記アンテナ素子を備える前記アンテナは、一つであるか、二つ以上である場合には前記アンテナの送受信可能な領域に重複がないことを特徴とするアンテナ装置である。
【００３６】
また、本発明の一態様は、上記のアンテナ装置において、前記アンテナそれぞれにおける前記複数のアンテナ素子は、前記アンテナを設置した際に当該アンテナの平面又は準平面と水平面とが交差する直線で表される射影軸に対して射影された場合に、前記射影軸上における各アンテナ素子の射影点が互いに重ならず略等間隔になる位置に配置されることを特徴とする。
【００３７】
また、本発明の一態様は、上記のアンテナ装置において、前記アンテナそれぞれにおける前記複数のアンテナ素子の配置は、矩形格子の格子点に前記アンテナ素子を配置した状態に対して、前記矩形格子の行に含まれる前記アンテナ素子同士の間隔を二次元配置の行数で等分割した距離を第１のシフト量として列方向に隣り合う行ごとに、行に含まれる前記アンテナ素子の位置を行方向に前記第１のシフト量ずつずらした配置であることを特徴とする。
【００３８】
また、本発明の一態様は、上記のアンテナ装置において、前記複数のアンテナは、辺の数が偶数の正多角形の辺に対応する位置に配置され、前記複数の切替スイッチで選択される前記アンテナ素子を備える二つの前記アンテナは、それぞれのアンテナの平面又は準平面が平行であり、前記アンテナ素子が配置されている面が互いに反する向きであることを特徴とする。
【００３９】
また、本発明の一態様は、上記のアンテナ装置において、前記アンテナ素子は、指向性アンテナであり、前記アンテナが有する前記アンテナ素子それぞれは、前記アンテナごとに、最大利得を示す方向が同一であることを特徴とする。
【００４０】
また、本発明の一態様は、上記のアンテナ装置と、前記切替スイッチで選択された前記アンテナ素子それぞれの信号に対する信号処理を並行して行う信号処理回路とを備えることを特徴とする基地局装置である。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、二次元配置された複数のアンテナ素子により通信対象の複数の無線局それぞれのチャネル情報の相関を抑圧できるアンテナを１８０度を超える広い角度に対応して複数配置した際に、送受信可能な領域を重複させずに複数のアンテナから送受信に用いるアンテナを少なくとも一つ選択するので、アンテナ間における信号の混在を抑えることができ、複数の無線局との間のチャネル情報の相関を抑制することが可能となる。これにより、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加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１の実施形態における基地局装置の構成例を示す図である。
【図２】第２の実施形態のアンテナ装置における切り替えと通信エリアとの関係を示す図である。
【図３】第２の実施形態のアンテナ装置による垂直平面アンテナの切り替えの一例を示す図である。
【図４】第３の実施形態のアンテナ装置における垂直平面アンテナと通信エリアとの関係を示す図である。
【図５】第３の実施形態のアンテナ装置による通信エリアの選択例を示す図である。
【図６】第３の実施形態のアンテナ装置による垂直平面アンテナの切り替えの一例を示す図である。
【図７】第３の実施形態のアンテナ装置における通信エリアを示す図である。
【図８】第３の実施形態におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。
【図９】四つの垂直平面アンテナを用いた構成において異なる垂直平面アンテナ間で信号の混在がある場合とない場合との特性評価結果を示す図である。
【図１０】第２の実施形態におけるアンテナ装置と第３の実施形態におけるアンテナ装置との特性評価結果を示す図である。
【図１１】大規模アンテナシステムの概要を示す図である。
【図１２】見通し環境及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１３】基地局から角度θの方位差をもって存在する二つの無線局を示す図である。
【図１４】方位差角度θの二つの無線局におけるチャネル相関の方位差角度θに対する依存性を示す図である。
【図１５】基地局のアンテナ素子を水平面において円形に配置した場合に無線局から見えるアンテナ素子の位置関係の一例を示す図である。
【図１６】本発明の関連技術を用いたアンテナ素子の配置の一例を示す図である。
【図１７】本発明の関連技術を用いたアンテナの構成例を示す図である。
【図１８】本発明の関連技術に係る第１のアンテナの構成例を示す図である。
【図１９】本発明の関連技術に係る第２のアンテナの構成例を示す図である。
【図２０】二つの平面アンテナ上に配置された各アンテナ素子を接続する分配結合器を備える基地局の構成例を示す図である。
【図２１】複数のアンテナ素子が配置された二つの平面アンテナを組み合わせたアンテナの指向性ビームの概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
［本発明の関連技術］
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素子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素子の本数が多いほど、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）変換器等の部材を有する１系統分のアナログ回路である。より多くのアンテナ素子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素子の適用が基本となる。更に、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素子を円形に配置する。
【００４４】
前述の通り、図１４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素子を円形に配置した場合を想定している。図１４においては、方位差角度θが２５度以上の領域で時折、チャネル相関が高くなっている箇所がある。方位差角度θが２５度以上の領域においてチャネル相関が高くなっている箇所では、アンテナ素子による指向性の分解能が不足しているために、チャネル相関の低さを安定的に維持できない状態にあると考えることができる。一般的には、空間的な広がりをもった配置でアンテナ素子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、アンテナ素子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。
【００４５】
図１５は、基地局のアンテナ素子を水平面において円形に配置した場合に無線局から見えるアンテナ素子の位置関係の一例を示す図である。無線局から見た各アンテナ素子の位置関係は、アンテナ素子を配置した円形の中心と無線局とを結ぶ直線に垂直な平面に各アンテナ素子を射影することで得られる。図１５において、塗りつぶされた丸（●）はアンテナ素子の位置を示し、各アンテナ素子が射影（投影）される平面上の白抜きの丸（○）は無線局から見えるアンテナ素子の位置を示している。大きな矢印は無線局から基地局への方向を示している。つまり、図１５は、アンテナ素子を円形に配置した水平面を天頂方向から見下ろした位置関係を示している。
【００４６】
図１５（ａ）は、アンテナ素子を配置した円形の中心と配置されたアンテナ素子のうちいずれか一つのアンテナ素子とを結ぶ直線上に無線局が位置している場合におけるアンテナ素子の位置関係を示している。図１５（ａ）に示した例では、アンテナ素子数は偶数で、図の上方に向いた座標軸上に無線局が位置している。図１５（ｂ）は、アンテナ素子を配置した円形の中心と配置されたアンテナ素子のうちいずれか二つのアンテナ素子とを結ぶ直線上に無線局が位置していない場合におけるアンテナ素子の位置関係を示している。
【００４７】
図１５（ａ）に示すように、円形の中心といずれか一つのアンテナ素子とを結ぶ直線上に位置する無線局から基地局のアンテナ素子を見た場合には、アンテナ素子を射影した点の一部が重なる。そのため、１２個のアンテナ素子が、無線局からは７個のアンテナ素子として見える。平面上にて重なる射影点に対応するアンテナ素子同士は、利得向上のために有効に機能するが、指向性を形成する上でのチャネル相関を低減するための分解能向上のために有効に機能しないことが予想される。
【００４８】
図１５（ｂ）に示すように、円形の中心といずれか一つのアンテナ素子とを結ぶ直線上に位置しない無線局から基地局のアンテナ素子を見た場合には、アンテナ素子を射影した点が一般には重ならない。射影点の間隔は、ある部分において狭く、またある部分において広くなっている。この間隔のばらつきにより、指向性を形成する上でのチャネル相関を低減するための分解能向上のために有効に機能することが予想される。すなわち、図１５（ａ）に示した場合より図１５（ｂ）に示した場合の方が、指向性を形成する上で優位であることが予想される。
【００４９】
図１５（ｂ）に示した状態から無線局の位置が変わり、図１５（ａ）に示した状態に近づくと平面上の射影点が重なり、分解能が低下すると考えられる。図１５（ｂ）に示した状態であっても、射影点の間隔が等間隔になる場合よりは、分解能が低くなっていると考えられる。例えば図１５（ａ）に示した状態に近い場合などは、一部のアンテナ素子が無線局から重なって見えるため、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。
【００５０】
アンテナ素子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素子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。アンテナ素子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にすることができ、設置費用を低減できる。指向特性と設置費用とのバランスを考えれば、同程度の空間的な広がりの中で配置されたアンテナ素子において、チャネル相関を低く抑えることが求められる。
【００５１】
基地局と無線局とが通信に５ＧＨｚの無線信号を用いる場合を想定すると、無線信号の波長は約６ｃｍである。基地局が備える１００本のアンテナ素子を２波長間隔で円形に配置した場合、アンテナ素子を配置する円の円周が１２ｍになり、円の半径が約１．９ｍ（直径３．８ｍ）になる。アンテナ素子の間隔を２波長としているのは、アンテナ素子の間隔が波長に比べて短くなると、アンテナ素子ごとの独立性が損なわれるからである。近傍のアンテナ素子が結合した状態で動作すると、各アンテナ素子の独立な電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、アンテナ素子の間隔に２波長の間隔が必要でない場合もある。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、アンテナ素子を１重の円ではなく、２重又は３重の同心円の円周上に配置することで狭い空間に配置することができ、設置部の台座部分の構造物の規模を抑えることができる。しかし、２重、３重の同心円の円周上にアンテナ素子を配置すると、無線局の位置によっては図１５（ａ）に示したように図の横方向の座標軸上にアンテナ素子を射影した点が重なり合ったり、図１５（ｂ）に示したように横方向の座標軸上にアンテナ素子を射影した点の間隔が不均一になったりすることが予想される。
【００５２】
以上に説明したように、無線局から基地局を見た場合に、無線局と基地局とを結ぶ直線と直交する軸を定め、定めた軸上に基地局の各アンテナ素子を投影した際の投影点の間隔が不均一であったり、投影点が重複したりすることにより、チャネル相関が高くなり分解能が低くなるといった問題が生じていた。一つの水平面に各アンテナ素子を配置する場合、この問題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次元的に指向性を有するアンテナ素子を配置し、その平面と水平面とが交わる軸上にアンテナ素子を射影した際には射影点の均等化を図ることが可能である。なお、水平面に直交した平面に多少の傾斜をつけて、指向特性にチルト角を与えてもよい。以下、水平面に直交した平面上に２次元的にアンテナ素子を配置する構成について説明する。
【００５３】
図１６は、本発明の関連技術を用いたアンテナ素子の配置の一例を示す図である。図１６には、水平面２１、垂直平面２２、アンテナ素子２３ａ〜２３ｉ、投影点２４ａ〜２４ｉが示されている。垂直平面２２は、水平面２１に対して直交する平面であり、アンテナ素子２３ａ〜２３ｉを配置する平面である。投影点２４ａ〜２４ｉは、水平面２１と垂直平面２２とが交差する直線（軸）にアンテナ素子２３ａ〜２３ｉそれぞれが投影された位置を示す点である。アンテナ素子２３ａ〜２３ｉは指向性アンテナである。アンテナ素子２３ａ〜２３ｉは、垂直平面２２の片側方向（例えば、図中手前方向）に対して高い指向性利得を有し、その逆方向（例えば、図中奥行方向）に対して低い指向性利得を有するように設定されている。アンテナ素子２３ａ〜２３ｉの指向性利得のパターンは、特に限定されない。しかし、垂直平面２２に配置されたアンテナ素子２３ａ〜２３ｉでカバーすべき通信エリアが、垂直平面２２の法線方向に対して仮に左右６０度の範囲を含む１２０度の範囲であれば、正面から左右６０度の範囲で一様に安定的に高い指向性利得を示し、左右６０度を超えた範囲では指向性利得が急速に下がることが好ましい。つまり、垂直平面２２に配置されたアンテナ素子２３ａ〜２３ｉは、指向性アンテナであり、それぞれの最大利得を示す方向を共通にし、最大利得を示す方向を垂直平面２２と垂直な方向とする。
【００５４】
各アンテナ素子２３ａ〜２３ｉは、独立に動作し、アンテナ素子間で結合した特性を示さない構成とするように十分な間隔を離して垂直平面２２上に配置される。例えばアンテナ素子の間隔が１波長以上となるように、水平方向に沿って並ぶアンテナ素子２３ａ〜２３ｃ、アンテナ素子２３ｄ〜２３ｆ及びアンテナ素子２３ｇ〜２３ｉの垂直方向の間隔を１波長とし、アンテナ素子２３ａ〜２３ｃ、アンテナ素子２３ｄ〜２３ｆ及びアンテナ素子２３ｇ〜２３ｉそれぞれにおける水平方向の間隔を１波長とする。なお、垂直平面２２は、基本的には水平面２１に直交する平面であるが、基地局のアンテナ素子が高所に配置され、サービスエリア全体がアンテナ素子より下方に位置する場合、垂直平面２２に若干下向きにチルト角を設け、垂直平面２２の法線方向が下向きになるように設置してもよい。
【００５５】
上述のようにして設置される各アンテナ素子２３ａ〜２３ｉに対し、水平面２１と垂直平面２２とが交わる軸を定め、その軸上に各アンテナ素子２３ａ〜２３ｉを投影させた投影点２４ａ〜２４ｉの間隔が等間隔になるように、アンテナ素子２３ａ〜２３ｉを配置することにより、図１５（ａ）及び（ｂ）で示した問題を回避することができる。なお、各投影点２４ａ〜２４ｉは、各アンテナ素子２３ａ〜２３ｉの位置から軸に対して垂直方向に伸ばした線が軸と交わる位置である。
【００５６】
図１７は、本発明の関連技術を用いたアンテナの構成例を示す図である。図１７（ａ）は、アンテナの斜視図である。図１７（ｂ）は、アンテナを真上方向から見た図である。図１７（ａ）及び（ｂ）における塗りつぶされた四角は、アンテナ素子を表している。アンテナに備えられた各アンテナ素子は、指向性を有する。
【００５７】
図１６に示した、アンテナ素子２３ａ〜２３ｉを垂直平面２２上にマトリックス状に配置したアンテナは、アンテナ素子２３ａ〜２３ｉが指向性を有しているため、一つのアンテナでは３６０度の全方位に対して送受信を行うことができない。このアンテナを一つ備えた基地局では、３６０度の全方位に対してサービスを提供できない。したがって、３６０度の全方位に対してサービスの提供又は一つのアンテナでサービスを提供できないエリアへのサービスの提供を行うためには、垂直平面２２を複数面設けてアンテナがカバーできるエリアを拡張する必要がある。
【００５８】
図１７に示した３面の垂直平面２２を設けたアンテナは、垂直平面２２ごとに設けられたアンテナ素子が、概ね１２０度の領域を主にカバーする。図１７（ｂ）に示すように、三つの垂直平面２２それぞれが１２０度の各範囲（第１〜第３セクタ領域）に対する送受信を行うことにより、アンテナが３６０度の全方位に対して送受信を行う構成になっている。また、各垂直平面２２に設けられたアンテナ素子は、隣接するアンテナ素子との間に１波長以上の間隔が設けられている。なお、アンテナは、図１７に示した３面の構成ではなく、２面の構成や４面以上の構成としてもよい。ここでは、垂直平面２２の各アンテナ素子の関係を規定しないが、垂直平面２２を複数面備えるアンテナは、様々な方向の無線局に対しても対応可能な状況を作り出すことができる。
【００５９】
図１８は、本発明の関連技術に係る第１のアンテナの構成例を示す図である。以降の説明では、図１６に示したように垂直平面２２は水平面２１に直交するものとする。また、垂直平面における、水平方向の軸と垂直方向の軸とを図示し、これらの軸を参照して垂直平面に配置されるアンテナ素子１０について説明をする。ただし、上述のように、垂直平面に所定のチルト角を与えることにより水平面に対して垂直平面が直交しない場合がある。以下では、チルト角を与えた場合も含めた状態の一例として、垂直平面が水平面と直交する場合を説明する。しかし、本発明は、上述のように垂直平面にチルト角を与えた場合も含めた一般的な場合を全て包含するものとする。
【００６０】
図１８に示す第１のアンテナは、１００個のアンテナ素子１０が垂直平面上に２次元配置された構成を有している。図１８において、アンテナ素子１０は塗りつぶされた四角（■）で示されている。１００個のアンテナ素子１０は、１０行１０列のマトリックス状に配置されている。この配置では、一行に１０個のアンテナ素子１０が水平方向に等間隔に配置されており、１０個のアンテナ素子１０を含む行が等間隔に垂直方向に１０段重ねられている。各アンテナ素子１０は、指向性を有しており、アンテナ素子１０が配置される平面の法線方向に高い指向性利得を示す。また、図１８に示す第１のアンテナの構成において、着目すべきアンテナ素子１０を示すため、丸印のマーカ１１ａ〜１１ｋが示されている。
【００６１】
図１８に示す垂直平面アンテナとしての第１のアンテナにおける複数のアンテナ素子の配置は、矩形格子の格子点にアンテナ素子を配置した状態に対して、矩形格子の行に含まれるアンテナ素子同士の間隔を二次元配置の行数で等分割した距離を水平方向のシフト量として列方向に隣り合う行ごとに、行に含まれるアンテナ素子の位置を水平方向にシフト量ずつずらした配置である。
【００６２】
以下、アンテナ素子１０の水平方向の間隔が１波長間隔である場合を仮定して詳細に説明する。図１８に示した構成では、最左列のアンテナ素子１０の列において、アンテナ素子１０間の間隔を１０分割した間隔を示す補助線の点線が示されている。１０分割とした理由は、アンテナ素子１０を１０個含む行が垂直方向に１０段重ねられていることによる。
【００６３】
マーカ１１ａの箇所のアンテナ素子１０とマーカ１１ｋの箇所のアンテナ素子１０との間隔を１０等分する。下から２段目のマーカ１１ｂの箇所のアンテナ素子１０は、マーカ１１ａのアンテナ素子１０の位置よりも間隔の（１／１０）分だけ水平方向の右側に寄せて配置されている。下から２段目の行に含まれる１０個のアンテナ素子１０は、マーカ１１ｂの箇所のアンテナ素子１０を基準にして１波長間隔で配置されている。すなわち、下から２段目の行に含まれるアンテナ素子１０は、最下段の行に含まれるアンテナ素子よりも、全体的に（１／１０）波長分だけ右にずれた位置に配置されている。
【００６４】
同様に、下から３段目のマーカ１１ｃの箇所のアンテナ素子１０は、マーカ１１ａのアンテナ素子１０の位置よりも間隔の（２／１０）分だけ水平方向の右側に寄せて配置されている。下から３段目の行に含まれるアンテナ素子１０は、マーカ１１ｃの箇所のアンテナ素子１０を基準にして１波長間隔で配置されている。すなわち、下から３段目の行に含まれるアンテナ素子１０は、最下段の行に含まれるアンテナ素子よりも、全体的に（２／１０）波長分だけ右にずれた位置に配置されている。
【００６５】
下から４段目から最上段までの各アンテナ素子１０も同様に配置されている。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）分だけ右にずれると、マーカ１１ｋの箇所のアンテナ素子１０の水平方向の位置と一致する。このため、１００個のアンテナ素子１０全てを水平方向の軸に投影（射影）すると、射影軸上の投影点の位置が均等な間隔になるように第１のアンテナが構成される。
【００６６】
この水平方向の軸は、アンテナ素子１０をマトリックス状に配置する平面とアンテナを設置した際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１７に示すように、アンテナがアンテナ素子１０を配置する平面を複数有する場合には、平面ごとに射影軸が存在する。この射影軸に対して各アンテナ素子１０を射影した場合に、射影軸上における射影点が互いに重ならずに略等間隔となるように各アンテナ素子１０が配置される。
【００６７】
図１８に示した構成では、射影軸上の射影点の間隔は、波長の（１／１０）間隔になる。多くの場合、アンテナ素子は１波長以上離れているので、アンテナ素子の結合現象を回避することが可能であり、各アンテナ素子からの電波の重ね合わせとしてアンテナを動作させることができる。
【００６８】
図１９は、本発明の関連技術に係る第２のアンテナの構成例を示す図である。図１９に示す構成例では、図１８に示した構成例と同様に、塗りつぶされた四角（■）でアンテナ素子１０が示されている。また、着目すべきアンテナ素子１０を示すため、丸印のマーカ１２ａ〜１２ｋが示されている。図１９に示す第２のアンテナには、１００個のアンテナ素子１０が垂直平面上に２次元配置されている。１００個のアンテナ素子１０は、図１８に示した第１のアンテナのアンテナ素子１０と同様に、１０行１０列のマトリックス状に配置されている。この配置では、一行に１０個のアンテナ素子１０が水平方向に等間隔に配置されており、１０個のアンテナ素子１０を含む行が等間隔に垂直方向に１０段重ねられている。
【００６９】
図１９に示すアンテナ素子１０の配置と図１８に示したアンテナ素子１０の配置とが異なる点は、各行における１０個のアンテナ素子１０が配置される高さが異なっていることである。図１８に示した配置では、行それぞれにおける１０個のアンテナ素子１０が同じ高さに配置されているのに対して、図１９に示した配置では行それぞれにおける１０個のアンテナ素子１０の高さが異なっていることである。なお、高さとは垂直方向の座標である。図１９において、マーカ１２ａ〜１２ｋの箇所のアンテナ素子１０は、同じ行に属しているが、配置されている垂直方向の位置が異なっている。
【００７０】
図１９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１９に示す配置では、各行における１０個のアンテナ素子１０の高さが、マーカ１２ａ〜１２ｋに示す同じ段に属するアンテナ素子１０のように、異なっている。図１８に示したアンテナ素子１０の配置に対して、アンテナ素子１０の間隔の（１／１０）の距離ずつのオフセットを各列に水平方向に順に加えて、垂直方向の軸に対する射影点が等間隔になるようにずらすと、図１９に示すアンテナ素子１０の配置になる。
【００７１】
図１９に示す垂直平面アンテナとしての第２のアンテナにおける複数のアンテナ素子の配置は、矩形格子の格子点にアンテナ素子を配置した状態に対して、矩形格子の行に含まれるアンテナ素子同士の間隔を二次元配置の行数で等分割した距離を水平方向のシフト量として列方向に隣り合う行ごとに、行に含まれるアンテナ素子の位置を水平方向にシフト量ずつずらし、更に、矩形格子の列に含まれるアンテナ素子同士の間隔を二次元配置の列数で等分割した距離を垂直方向のシフト量として行方向に隣り合う列ごとに、列に含まれるアンテナ素子の位置を垂直方向にシフト量ずつずらした配置である。
【００７２】
図１９における水平方向の軸は、無線局から基地局の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アンテナ素子１０を射影した場合に射影軸上の射影点が互いに重ならずに略等間隔になるように、複数のアンテナ素子１０が配置される。図１９におけるアンテナ素子１０の配置では、垂直方向の軸に対してアンテナ素子１０を射影した射影点を求めると、１００個のアンテナ素子１０それぞれの射影点が垂直方向の軸上に等間隔に位置する。この結果、図１９に示す配置は、水平方向に対する分解能を高めることに加えて、垂直方向に対する分解能を高めることができる。
【００７３】
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１６に示した垂直平面２２に対して同一方向に位置する２台の無線局が存在し、一方の無線局が基地局の近くに位置し、他方の無線局が基地局から遠くに位置する場合を考える。基地局に近い無線局は、アンテナから下方に見下ろす方向に位置することになる。基地局から遠い無線局は、アンテナから比較的水平方向に位置することになる。このような場合、垂直方向の角度差に対する分解能が有効に機能し、２台の無線局に対応するチャネル情報の相関を下げることが可能になる。
【００７４】
ここで注意すべき点は、上述の関連技術を用いたアンテナは、基地局に対して適用された場合、高所に固定されるものである。したがって、上述した「アンテナ」とは、図１８及び図１９において例示された構成を部品としてのアンテナに加えて、正方格子や正六角形の最密充填などの格子点に配置されるアンテナを回転させることで図１８ないし図１９に示すような特徴を実現することは可能（偏波面は回転状態で所望の向きとなるように調整する）であり、このよう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又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。
【００７５】
また、図１６に示したアンテナの構成を、図１７に示したように３面を組み合わせた場合又は２面若しくは４面以上を組み合わせた場合、組み合わせる面数に応じてアンテナ素子数が増加する。大規模アンテナシステムでは、多くのアンテナ素子を実装することにより信号のＳＮＲ特性が改善するため、より多くのアンテナ素子が同位相合成に関与することが好ましい。しかし、図１７に示した構成では、実際には全体のアンテナ素子の（１／３）である１面分のアンテナ素子しか同位相合成に関与できないため、各アンテナ素子に１対１に対応してＲＦ回路を設けた場合に全ての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。
【００７６】
同時に使用するアンテナ素子の数と、ＲＦ回路の系統数とを同一にするために、図１７（ｂ）に示したような複数の垂直平面に複数のアンテナ素子を配置した垂直平面アンテナを組み合わせた構成において、第１〜第３セクタ領域をカバーする各垂直平面アンテナのアンテナ素子とＲＦ回路とを分配結合器で接続する方法が考えられる。
【００７７】
図２０は、二つの垂直平面アンテナ上に配置された各アンテナ素子を接続する分配結合器を備える基地局の構成例を示す図である。図２０では、説明を簡単にするために、１８０度分の領域をカバーする二つのアンテナを組み合わせる構成例を示している。図２０に示す構成例は、第１垂直平面アンテナ５０と第２垂直平面アンテナ７０とを組み合わせた構成である。第１垂直平面アンテナ５０と第２垂直平面アンテナ７０とは、各アンテナ素子を配置していない面を互いに対向させるように設置され、それぞれが異なる１８０度分の異なる領域をカバーする。第１垂直平面アンテナ５０は、アンテナ素子５１〜６６を備えている。第２垂直平面アンテナ７０は、アンテナ素子７１〜８６を備えている。
【００７８】
基地局は、第１垂直平面アンテナ５０、第２垂直平面アンテナ７０、分配結合器９１ａ〜９１ｐ、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐ及びベースバンド処理回路９３を備えている。説明を簡単にするために、ベースバンド処理回路９３を、各ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐが入出力する信号を処理する回路として一つの処理ブロックとして記載している。また、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐ及びベースバンド処理回路９３は、各アンテナ素子５１〜６６及び７１〜８６を介して送信する信号に対する送信処理と、各アンテナ素子５１〜６６及び７１〜８６で受信した信号に対する受信処理とを行う。
【００７９】
基地局が信号を送信する場合、ベースバンド処理回路９３は、送信すべき信号に対して指向性制御の符号化処理を行い、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐに対応した信号を出力する。ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐそれぞれにおいて、Ｄ／Ａ変換器が、ベースバンド処理回路９３から出力されたベースバンド信号をアナログ信号に変換する。周波数変換器が、アナログ信号を無線周波数の信号にアップコンバートする。フィルタが、無線周波数の信号に含まれる帯域外信号を除去する。ＨＰＡが、帯域外信号が除去された信号を増幅し、ＴＤＤスイッチを経由して分配結合器９１ａ〜９１ｐに出力する。
【００８０】
分配結合器９１ａ〜９１ｐは、それぞれに接続されているＲＦ回路９２ａ〜９２ｐから出力される信号を、複数系統の同一の信号に分岐し、接続されている第１垂直平面アンテナ５０のアンテナ素子と第２垂直平面アンテナ７０のアンテナ素子とに出力する。図２０において、分配結合器９１ａ〜９１ｐと、第１垂直平面アンテナ５０のアンテナ素子５１〜６６及び第２垂直平面アンテナ７０のアンテナ素子７１〜８６との接続関係を、「ａ」〜「ｐ」のアルファベットを用いて示している。例えば、第１垂直平面アンテナ５０のアンテナ素子５１と第２垂直平面アンテナ７０のアンテナ素子７１とは、分配結合器９１ａに接続されている。
【００８１】
分配結合器９１ａ〜９１ｐは、第１垂直平面アンテナ５０と第２垂直平面アンテナ７０とにおいて対応する位置に配置されているアンテナ素子と接続されている。換言すれば、各分配結合器９１ａ〜９１ｐからの接続は、第１垂直平面アンテナ５０の各アンテナ素子５１〜６６と第２垂直平面アンテナ７０の各アンテナ素子７１〜８６とで各々幾何学的に対応した位置のアンテナ素子に接続されている。
【００８２】
基地局が信号を受信する場合、第１垂直平面アンテナ５０の各アンテナ素子５１〜６６で受信された信号と、第２垂直平面アンテナ７０の各アンテナ素子７１〜８６で受信された信号とは、分配結合器９１ａ〜９１ｐに入力される。分配結合器９１ａ〜９１ｐそれぞれは、第１垂直平面アンテナ５０のアンテナ素子から入力される信号と、第２垂直平面アンテナ７０のアンテナ素子から入力される信号とをアナログ信号として単純合成する。分配結合器９１ａ〜９１ｐそれぞれは、対応するＲＦ回路９２ａ〜９２ｐに合成して得られた信号を出力する。
【００８３】
ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐそれぞれにおいて、ＬＮＡがＴＤＤスイッチを経由して分配結合器９１ａ〜９１ｐから入力された信号を増幅して周波数変換器に出力する。周波数変換器がＬＮＡから出力される信号に対して周波数変換を行い、周波数変換によりアナログベースバンド信号を生成する。フィルタがアナログベースバンド信号に含まれる帯域外信号を除去してＡ／Ｄ変換器に出力する。Ａ／Ｄ変換器が、帯域外信号が除去されたアナログベースバンド信号をデジタルベースバンド信号に変換し、デジタルベースバンド信号をベースバンド処理回路９３に出力する。
【００８４】
ベースバンド処理回路９３は、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐから出力される信号系列に対して所定の信号処理を施し、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、様々な通信方式のシステムに対しても共通の説明が可能である。
【００８５】
図２１は、複数のアンテナ素子が配置された二つの平面アンテナを組み合わせたアンテナの指向性ビームの概要を示す図である。図２１には、複数の平面アンテナを組み合わせたアンテナの一例として、二つの平面アンテナを組み合わせたアンテナが示されている。二つの平面アンテナは、それぞれのアンテナ素子が配置されていない面が対向する位置に設置されている。二つの平面アンテナのアンテナ素子それぞれが１８０度ずつの第１セクタ領域と第２セクタ領域とをカバーする。これにより、アンテナは３６０度の全方位をカバーしている。なお、図２１に示した組み合わせ以外に、図１７に示した組み合わせのように三つの垂直平面それぞれが１２０度の第１、第２及び第３セクタ領域をカバーする組み合わせにおいて、三つの平面アンテナのうち二つの平面アンテナを用いる場合も同様に説明可能である。また、四つ以上の垂直平面を組み合わせた構成のアンテナにおいても類似の説明が可能である。
【００８６】
アンテナ素子５１〜６６及びアンテナ素子７１〜８６と分配結合器９１ａ〜９１ｐとの間において入出力される信号の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素子が形成するビームパターンは、各垂直平面に対して同一である。図２１における第１セクタ領域に位置する無線局に対して指向性ビームを形成しようとすると、第２セクタ領域において第１セクタ領域の指向性ビームと対称的な方向に同様の指向性ビームが形成される。このとき、第２セクタの指向性ビームの方向に同時に空間多重を行う無線局が存在すると、第１セクタ領域の無線局のチャネル情報と第２セクタ領域の無線局のチャネル情報との相関は非常に高くなることがある。図１４に示したチャネル相関のグラフに当てはめれば、方位差角度が１８０度の辺りにも高いチャネル相関を示す領域が生じることになる。
【００８７】
上記の説明において、図１６に示したようなアンテナ素子の配置は、垂直平面などの平面において行われる場合について説明した。しかし、アンテナ素子を配置する面は、必ずしも平面である必要はなく、概ね平面に近似できる範囲で緩やかな曲面であってもよい。平面に近似できる緩やか曲面である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、平面上にアンテナ素子を配置した場合と同様の効果を得ることができる。なお、アンテナ素子を配置する準平面と水平面とが交わる部分が直線にならない場合がある。この場合には、準平面に近似可能な平面を定め、定めた平面と水平面とが交わる直線を射影軸とみなせば、上記と同様の説明が可能となる。
【００８８】
また、垂直平面におけるアンテナ素子の２次元的な配置は、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、射影軸上の射影点の間隔を均等にしている。しかし、射影軸上の射影点の間隔を均等にできるならば、アンテナ素子の配置の設定手順や設定方法は、他の手順や方法であってもよい。
【００８９】
また、上記の説明では、垂直平面と水平面とが交わる直線である射影軸に各アンテナ素子を投影した投影点が等間隔である場合について説明した。しかし、全てのアンテナ素子の間隔が完全に均等になっている必要はない。ここで、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における投影を考える。例えば、図１７に示したアンテナでは、垂直平面のアンテナ素子が配置されている面側の法線方向に対して±６０度の合計１２０度の範囲における投影を考える。
【００９０】
このとき、上述の範囲において投影点の間隔のうち９０％以上の間隔が、間隔の平均に対して±１０％以内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、射影軸における射影点の各間隔が、平均に対して１０％の範囲内に収まるように、複数のアンテナ素子を配置することが好ましい。この射影点の間隔の定義において、二つのアンテナ素子の射影点が一致する場合には、射影点の間隔がゼロであるものとみなす。
【００９１】
［第１の実施形態］
上記の関連技術の説明において、基地局装置が無線局と通信可能なエリアを３６０度全方位に対して広げる場合や１８０度を超える広い角度に亘る範囲に広げる場合に、図１７に示したようにアンテナ素子を配置した複数の平面を組み合わせることを示した。図１７に示したアンテナは、アンテナ素子を配置した三つの平面アンテナを組み合わせた構成であるが、図１７（ｂ）に示したように、平面アンテナがカバーする領域を直線的に厳密に重複なく第１、第２及び第３セクタ領域に分割することは難しい。一般に、図１７（ｂ）に示したように三つの平面アンテナを組み合わせたとしても、第１セクタ領域の平面アンテナからの信号は、第２セクタ領域及び第３セクタ領域にも無線信号として漏洩するためである。
【００９２】
平面アンテナの指向性に関し、平面アンテナの平面の法線方向におけるアンテナ素子を配置している向きを角度０度とした場合、電波吸収体や反射材などの構造物を組み合わせることにより、反射波などの影響を除けば放射特性を角度が±９０度を超える平面の裏側方向における利得を急激に減少させることができる。しかし、±６０度以内の範囲において十分な利得を確保しつつ、±６０度を超えた範囲における利得を急激に減少させることは困難である。
【００９３】
このため、図１７に示した構成のアンテナを用いる場合、基地局装置は、各垂直平面からの信号が合成された信号を用いて通信を行うことになる。しかし、詳細は後述するが、図１８又は図１９に示したアンテナ素子の配置は、数式（７）に示した相関を低減する配置になっているが、この配置が施された複数の垂直平面を角度差をつけて設置し、それらの複数の垂直平面のアンテナを同時に用いて通信を行うと全体の特性が劣化する。
【００９４】
更に、図２０に示したように、異なる平面アンテナの複数のアンテナ素子を分配結合器で接続し、アンテナ素子の信号をアナログ合成すると、一つの平面アンテナで形成する指向性ビームの漏れ込みが、図２１に示したように、他の平面アンテナにも現れることになる。上述のような構成は、同時に空間多重する無線局それぞれのチャネル情報の相関を高め、干渉量を増大させるため、特性の改善の観点からあまり好ましくない。
【００９５】
そこで、アンテナ素子を配置した複数の平面アンテナを組み合わせたアンテナ装置において、アンテナ素子の信号を平面アンテナごとに時分割で利用する。図１は、第１の実施形態における基地局装置の構成例を示す図である。図１に示すように、基地局装置は、アンテナ装置１００ａ、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐ及びベースバンド処理回路９３を備えている。アンテナ装置１００ａは、第１垂直平面アンテナ５０、第２垂直平面アンテナ７０、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐ及びタイミング管理回路９４を備えている。図１に示す構成例では、第１垂直平面アンテナ５０と第２垂直平面アンテナ７０との二つのアンテナを組み合わせた場合について説明するが、三つ以上のアンテナを組み合わせてもよい。第１垂直平面アンテナ５０は、アンテナ素子５１〜６６を備えている。第２垂直平面アンテナ７０は、アンテナ素子７１〜８６を備えている。アンテナ素子５１〜６６は、図１８や図１９に示した配置のように、垂直平面上に配置され、水平面に射影した際に各アンテナ素子の射影点が重ならないように配置されている。アンテナ素子７１〜８６も、同様に、垂直平面上に配置され、水平面に射影した際に各アンテナ素子が重ならないように配置されている。
【００９６】
図１に示す構成例において、ベースバンド処理回路９３を、説明を簡単にするために、各ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐが入出力する信号を処理する回路として一つの処理ブロックとして記載している。また、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐ及びベースバンド処理回路９３は、各アンテナ素子５１〜６６及びアンテナ素子７１〜８６を介して送信する信号に対する送信処理と、各アンテナ素子５１〜６６及びアンテナ素子７１〜８６で受信した信号に対する受信処理とを行う。本発明におけるアンテナ装置は、アンテナ装置１００ａに対応する。
【００９７】
図１において、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐと、第１垂直平面アンテナ５０のアンテナ素子５１〜６６及び第２垂直平面アンテナ７０のアンテナ素子７１〜８６との接続関係を、「ａ」〜「ｐ」のアルファベットを用いて示している。例えば、第１垂直平面アンテナ５０のアンテナ素子５１と第２垂直平面アンテナ７０のアンテナ素子７１とは、切替スイッチ９５ａに接続されている。
【００９８】
また、図１における構成例において、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐそれぞれに接続されている第１垂直平面アンテナ５０と第２垂直平面アンテナ７０とのアンテナ素子は、図２０に示した例と同様にそれぞれの垂直平面アンテナにおける相対的な位置が一致している。しかし、第１の実施形態における基地局装置においては、図２０の場合と異なり、第１垂直平面アンテナ５０と第２垂直平面アンテナ７０とにおけるアンテナ素子の相対的な位置が一致している必要はなく、異なる位置のアンテナ素子が切替スイッチ９５ａ〜９５ｐに接続されていてもよい。また、第１垂直平面アンテナ５０と第２垂直平面アンテナ７０とにおけるアンテナ素子の配置が、左右反転した配置ないしは上下反転した配置などの異なる配置であってもよい。第１垂直平面アンテナ５０と第２垂直平面アンテナ７０とにおけるアンテナ素子の配置は、図１８や図１９などで示したような最適配置になっていれば構わない。
【００９９】
第１の実施形態の基地局装置が信号を送信する場合、ベースバンド処理回路９３は、送信すべき信号に対して指向性制御の符号化処理を行い、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐに対応した信号を出力する。ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐそれぞれにおいて、Ｄ／Ａ変換器が、ベースバンド処理回路９３から出力されたベースバンド信号をアナログ信号に変換する。周波数変換器が、アナログ信号を無線周波数の信号にアップコンバートする。フィルタが、無線周波数の信号に含まれる帯域外信号を除去する。ＨＰＡが、帯域外信号が除去された信号を増幅し、ＴＤＤスイッチを経由して切替スイッチ９５ａ〜９５ｐに出力する。
【０１００】
切替スイッチ９５ａ〜９５ｐそれぞれは、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐから出力される信号を、第１垂直平面アンテナ５０へ出力するか、第２垂直平面アンテナ７０へ出力するかを切り替える。切替スイッチ９５ａ〜９５ｐは、タイミング管理回路９４の制御に応じて、出力先を切り替える。タイミング管理回路９４は、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐにおける切り替えを連動させて制御する。タイミング管理回路９４は、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐにおける出力先を、第１垂直平面アンテナ５０と第２垂直平面アンテナ７０とのいずれか一方にする制御を行う。
【０１０１】
切替スイッチ９５ａ〜９５ｐにおける切り替えのタイミングは、タイミング管理回路９４が管理する。例えば、タイミング管理回路９４は、タイムスロットで送受信のタイミングを管理している無線通信システムにおいてはタイムスロットごとに切替スイッチ９５ａ〜９５ｐにおける切り替え行ってもよいし、複数のタイムスロット単位で切り替えを行ってもよい。
【０１０２】
例えば、切替スイッチ９５ａが第１垂直平面アンテナ５０のアンテナ素子５１とＲＦ回路９２ａとを接続する場合には、切替スイッチ９５ｂは第１垂直平面アンテナ５０のアンテナ素子５２とＲＦ回路９２ｂとを接続する。また、切替スイッチ９５ｃは第１垂直平面アンテナ５０のアンテナ素子５３とＲＦ回路９２ｃとを接続する。また、切替スイッチ９５ｏは第１垂直平面アンテナ５０のアンテナ素子６５とＲＦ回路９２ｏとを接続する。また、切替スイッチ９５ｐは第１垂直平面アンテナ５０のアンテナ素子６６とＲＦ回路９２ｐとを接続する。
【０１０３】
一方、切替スイッチ９５ａが第２垂直平面アンテナ７０のアンテナ素子７１とＲＦ回路９２ａとを接続する場合には、切替スイッチ９５ｂは第２垂直平面アンテナ７０のアンテナ素子７２とＲＦ回路９２ｂとを接続する。また、切替スイッチ９５ｃは第２垂直平面アンテナ７０のアンテナ素子７３とＲＦ回路９２ｃとを接続する。また、切替スイッチ９５ｏは第２垂直平面アンテナ７０のアンテナ素子８５とＲＦ回路９２ｏとを接続する。また、切替スイッチ９５ｐは第２垂直平面アンテナ７０のアンテナ素子８６とＲＦ回路９２ｐとを接続する。
【０１０４】
無線局装置は、上述のように、タイミング管理回路９４が切替スイッチ９５ａ〜９５ｐそれぞれの切り替えの同期をとって連動させて行うことにより、第１垂直平面アンテナ５０と第２垂直平面アンテナ７０との最適に配置されたアンテナ素子の配列を用いて、様々な方位の無線局に対してサービスを提供することが可能になる。
【０１０５】
第１の実施形態の基地局装置が信号を受信する場合、第１垂直平面アンテナ５０の各アンテナ素子５１〜６６及び第２垂直平面アンテナ７０の各アンテナ素子７１〜８６で受信された信号は、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐに入力される。切替スイッチ９５ａ〜９５ｐにおいて、タイミング管理回路９４による管理の下で、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐそれぞれに入力される二つの信号うち第１垂直平面アンテナ５０又は第２垂直平面アンテナ７０のいずれか一方の信号が選択される。切替スイッチ９５ａ〜９５ｐそれぞれは、選択された信号をＲＦ回路９２ａ〜９２ｐに出力する。
【０１０６】
ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐにおいて、ＬＮＡがＴＤＤスイッチを経由して切替スイッチ９５ａ〜９５ｐから入力された信号を増幅してフィルタに出力する。フィルタはＬＮＡから出力された信号に含まれる帯域外信号を除去して周波数変換器に出力する。周波数変換器がフィルタから出力された信号に対して周波数変換を行い、当該信号をアナログベースバンド信号にダウンコンバートする。フィルタがアナログベースバンド信号に含まれる帯域外信号を除去してＡ／Ｄ変換器に出力する。Ａ／Ｄ変換器がフィルタから出力される信号をデジタルベースバンド信号に変換してベースバンド処理回路９３に出力する。
【０１０７】
ベースバンド処理回路９３は、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐから出力される信号系列に対して所定の信号処理を施し、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、様々な通信方式のシステムに対しても共通の説明が可能である。
【０１０８】
なお、タイミング管理回路９４は、基地局装置における送受信信号処理と同期したタイミング又は送受信信号処理と共通のタイミングを管理する。タイミング管理回路９４は、ベースバンド処理回路９３内に存在する基地局装置のタイミング管理を行う回路からのフレームタイミングなどの制御の基本となる制御信号を基に、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐを制御する。
【０１０９】
図１においては、アンテナ装置１００ａの処理を明示するために、タイミング管理回路９４をアンテナ装置１００ａにおける独立した構成要素として明記した。しかし、基地局装置内のタイミング管理を行う回路が出力する信号をアンテナ装置１００ａに引き込んで、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐに入力して切り替えのタイミング指示を行うようにしても、基地局装置の動作としては等価である。したがって、タイミング管理回路９４が行う動作は、アンテナ装置１００ａに備えられたタイミング管理回路９４が行う場合に限ることなく、アンテナ装置１００ａの外部から切替スイッチ９５ａ〜９５ｐに入力される切り替えタイミングを示す制御信号を活用する場合も含む。
【０１１０】
［第２の実施形態］
図２は、第２の実施形態のアンテナ装置における切り替えと通信エリアとの関係を示す図である。第２の実施形態における基地局装置に備えられるアンテナ装置は、第１垂直平面アンテナ１０１、第２垂直平面アンテナ１０２及び第３垂直平面アンテナ１０３を備えるアンテナ装置である。第１垂直平面アンテナ１０１、第２垂直平面アンテナ１０２及び第３垂直平面アンテナ１０３は、それぞれが正三角形の一辺に対応する位置に設けられており、それぞれが異なる通信エリアをカバーしている。
【０１１１】
図２（ａ）に示すように、第１垂直平面アンテナ１０１の通信エリアは第１エリア１０４である。第２垂直平面アンテナ１０２の通信エリアは第２エリア１０５である。第３垂直平面アンテナ１０３の通信エリアは第３エリア１０６である。図１に示したアンテナ装置１００ａでは、第１垂直平面アンテナ５０と第２垂直平面アンテナ７０との二つを組み合わせた構成を説明した。第２の実施形態におけるアンテナ装置では、第１垂直平面アンテナ１０１、第２垂直平面アンテナ１０２及び第３垂直平面アンテナ１０３を組み合わせた３面構成になっている。図２では図１７（ｂ）と同様にアンテナを真上方向から見た構成が示されている。
【０１１２】
第２の実施形態における基地局装置は、図２（ｂ）に示すように、第１垂直平面アンテナ１０１を用いることにより第１エリア１０４に位置する無線局との通信を行う。また、基地局装置は、第２垂直平面アンテナ１０２を用いることにより第２エリア１０５に位置する無線局との通信を行う。基地局装置は、第３垂直平面アンテナ１０３を用いることにより第３エリア１０６に位置する無線局との通信を行う。基地局装置は、無線局との通信を行う際に、第１垂直平面アンテナ１０１、第２垂直平面アンテナ１０２及び第３垂直平面アンテナ１０３のいずれか一つの垂直平面アンテナを選択する。すなわち、基地局装置は、同一時刻において通信する無線局が位置するエリアを、第１エリア１０４と第２エリア１０５と第３エリア１０６とのうち一つのエリアに限定する。
【０１１３】
第２の実施形態におけるアンテナ装置は、第１垂直平面アンテナ１０１、第２垂直平面アンテナ１０２及び第３垂直平面アンテナ１０３からいずれか一つを選択する垂直平面アンテナの切り替えを、タイムスロットごとに行うようにしてもよい。図３は、第２の実施形態のアンテナ装置による垂直平面アンテナの切り替えの一例を示す図である。図３において、縦軸は時間を示し、タイムスロット単位で分割されている。図３に示す切り替えの例では、タイムスロット＃１において、アンテナ装置が第１垂直平面アンテナ１０１を選択し、基地局装置が第１エリア１０４に位置する無線局と通信を行う。タイムスロット＃２において、アンテナ装置が第２垂直平面アンテナ１０２を選択し、基地局装置が第２エリア１０５に位置する無線局と通信を行う。タイムスロット＃３において、アンテナ装置が第３垂直平面アンテナ１０３を選択し、基地局装置が第３エリア１０６に位置する無線局と通信を行う。タイムスロット＃４において、アンテナ装置が第１垂直平面アンテナ１０１を選択し、基地局装置が第１エリア１０４に位置する無線局と通信を行う。
【０１１４】
以降、タイムスロット＃１〜タイムスロット＃３と同様に、アンテナ装置が選択する垂直平面アンテナを順に切り替えることにより通信対象となるエリアを変更して、基地局装置が当該エリアに位置する無線局と通信を行う。なお、アンテナ装置が行う切り替えは、必ずしも周期的に行う必要はない。例えば、アンテナ装置は、エリア間におけるトラヒックの偏りや位置する無線局の数の偏りに応じて特定のエリアを選択する期間を長くして、特定のエリアに通信を集中させてもよい。
【０１１５】
なお、図２に示した第１エリア１０４、第２エリア１０５及び第３エリア１０６において、重複する領域がなく、境界が直線になっており、綺麗に領域が分けられている。しかし、各エリアの境界付近に位置する無線局は、当該境界に接する複数のエリアをカバーする垂直平面アンテナからの信号を同様に受信できるため、実質的にはエリアは相互にオーバーラップしているとみなすことができる。例えば、基地局装置は、第１エリア１０４と第２エリア１０５との境界付近の第１エリア１０４に位置する無線局と通信を行う際に、当該無線局が第２エリア１０５に位置するとみなして、第２垂直平面アンテナ１０２を用いて当該無線局と通信しても構わない。
【０１１６】
また、図２では、三つの垂直平面アンテナを組み合わせた構成を示したが、四つの垂直平面アンテナ又は五つ以上の垂直平面アンテナを組み合わせた構成にしてもよい。第２の実施形態におけるアンテナ装置の特徴は、常に一つの垂直平面アンテナを選択し、当該アンテナ装置を備える基地局装置が同時に通信をする無線局の位置するエリアを一つのエリアに限定する点である。
【０１１７】
［第３の実施形態］
図４は、第３の実施形態のアンテナ装置における垂直平面アンテナと通信エリアとの関係を示す図である。図４は、四つの垂直平面アンテナの配置を上方より見た図となっている。第３の実施形態における基地局装置に備えられるアンテナ装置は、第１垂直平面アンテナ１１１、第２垂直平面アンテナ１１２、第３垂直平面アンテナ１１３及び第４垂直平面アンテナ１１４を備えるアンテナ装置である。第１垂直平面アンテナ１１１、第２垂直平面アンテナ１１２、第３垂直平面アンテナ１１３及び第４垂直平面アンテナ１１４は、それぞれが正方形の一辺に対応する位置に設けられており、それぞれが異なる通信エリアをカバーしている。
【０１１８】
図４に示すように、第１垂直平面アンテナ１１１の通信エリアは第１エリア１１５ａである。第２垂直平面アンテナ１１２の通信エリアは第２エリア１１６ａである。第３垂直平面アンテナ１１３の通信エリアは第３エリア１１７ａである。第４垂直平面アンテナ１１４の通信エリアは第４エリア１１８ａである。
【０１１９】
図２では三つの垂直平面アンテナで構成されるアンテナを説明した。図４では偶数の四つの垂直平面アンテナで構成されるアンテナを説明する。図４に示す第３の実施形態におけるアンテナの構成は、垂直平面アンテナに二次元配置される各アンテナ素子の最大指向性方向が垂直平面の法線方向且つ上から見た際の正方形の外向きである。また、この正方形において平行な関係にある辺の位置に設けられた二つの垂直平面アンテナにおいては各垂直平面アンテナのアンテナ素子の最大指向性方向の向きが１８０度異なる状態になっている。また、平行な関係にある辺の位置に設けられた二つの垂直平面アンテナをペアにし、二組のペアそれぞれの垂直平面の法線方向が直交するように各垂直平面アンテナを配置した構成である。
【０１２０】
具体的には、第１垂直平面アンテナ１１１と第３垂直平面アンテナ１１３とがペアになり、第２垂直平面アンテナ１１２と第４垂直平面アンテナ１１４とがペアになる。第３の実施形態におけるアンテナ装置は、基地局装置が通信を行う際に二つのペアのうちいずれか一つのペアを選択する。基地局装置が通信を行う際にアンテナ装置が一つのペアを選択することにより、ペアを構成する二つの垂直平面アンテナがカバーする二つのエリアに位置する無線局が基地局装置との通信の対象になる。すなわち、第３の実施形態における基地局装置は、ペアを構成する二つの垂直平面アンテナがカバーする二つのエリアに対して同時に通信を行うことができる。
【０１２１】
図５は、第３の実施形態のアンテナ装置による通信エリアの選択例を示す図である。図５（ａ）に示すように、アンテナ装置が第１垂直平面アンテナ１１１及び第３垂直平面アンテナ１１３のペアを選択する場合、第１エリア１１５ａ及び第３エリア１１７ａに位置する無線局と基地局装置とが通信可能になる。また、図５（ｂ）に示すように、アンテナ装置が第２垂直平面アンテナ１１２及び第４垂直平面アンテナ１１４のペアを選択する場合、第２エリア１１６ａ及び第４エリア１１８ａに位置する無線局と基地局装置とが通信可能になる。
【０１２２】
第３の実施形態のアンテナ装置は、第１垂直平面アンテナ１１１及び第３垂直平面アンテナ１１３のペアと第２垂直平面アンテナ１１２及び第４垂直平面アンテナ１１４のペアとのいずれかを選択する垂直平面アンテナの切り替えを、タイムスロットごとに行うようにしてもよい。図６は、第３の実施形態のアンテナ装置による垂直平面アンテナの切り替えの一例を示す図である。図６において、縦軸は時間を示し、タイムスロット単位で分割されている。
【０１２３】
図６に示す切り替えの例では、タイムスロット＃１において、アンテナ装置が第１垂直平面アンテナ１１１及び第３垂直平面アンテナ１１３のペアを選択し、基地局装置が第１エリア１１５ａに位置する無線局と第３エリア１１７ａに位置する無線局との通信を行う。タイムスロット＃２において、アンテナ装置が第２垂直平面アンテナ１１２及び第４垂直平面アンテナ１１４のペアを選択し、基地局装置が第２エリア１１６ａに位置する無線局と第４エリア１１８ａに位置する無線局との通信を行う。
【０１２４】
以降、タイムスロット＃１やタイムスロット＃２と同様に、アンテナ装置が選択する垂直平面アンテナのペアを交互に切り替えることにより通信対象となるエリアを変更して、基地局装置が当該エリアに位置する無線局と通信を行う。なお、アンテナ装置が行う切り替えは、必ずしも周期的に行う必要はない。例えば、アンテナ装置は、エリア間におけるトラヒックの偏りや位置する無線局の数の偏りに応じて特定のエリアを選択する期間を長くして、特定のエリアに通信を集中させてもよい。
【０１２５】
それぞれの垂直平面アンテナに備えられているアンテナ素子は、垂直平面の法線方向においてアンテナ素子が配置される側の向きに対して±９０度を超える方向、すなわち垂直平面のアンテナ素子が配置されていない側に対する指向性利得は極端に低い。そのため、第３の実施形態における基地局装置は、複数のエリアを通信エリアとして選択するが、実質的にオーバーラップのない通信エリアを対象に同時の通信を行うことができる。
【０１２６】
第３の実施形態のアンテナ装置によれば、反射波等の僅かな影響を除けば、第１垂直平面アンテナ１１１がカバーする第１エリア１１５ａに位置する無線局との通信と、第３垂直平面アンテナ１１３がカバーする第３エリア１１７ａに位置する無線局との通信とを相互にほぼ独立な通信とすることができる。同様に、第２垂直平面アンテナ１１２がカバーする第２エリア１１６ａに位置する無線局との通信と、第４垂直平面アンテナ１１４がカバーする第４エリア１１８ａに位置する無線局との通信とを相互にほぼ独立な通信とすることができる。したがって、第３の実施形態のアンテナ装置を用いることにより、図１８や図１９に示したように各垂直平面アンテナのアンテナ素子の配置が最適化されていれば、同時に通信に用いられる垂直平面アンテナの間でそれぞれの最適配置の関係を破ることなく複数の垂直平面アンテナを同時に用いることが可能となる。
【０１２７】
なお、図４に示した四つの垂直平面アンテナによる４面構成のアンテナでは、通信エリアを分割した際の第１エリア１１５ａから第４エリア１１８ａそれぞれの範囲を９０度とする構成を説明した。しかし、同時に選択する二つの垂直平面アンテナが同時にカバーする通信エリアが重複しない範囲であれば、９０度より広い範囲を各垂直平面アンテナがカバーするエリアとしてもよい。図７は、第３の実施形態のアンテナ装置における通信エリアを示す図である。図７に示すように、第１垂直平面アンテナ１１１から第４垂直平面アンテナ１１４それぞれに対して、９０度より広い第１エリア１１５ｂから第４エリア１１８ｂを割り当てるようにしてもよい。
【０１２８】
この場合、図７における点線の付近に位置する無線局は、複数のエリアに含まれることになる。基地局装置は、このような無線局を便宜的にいずれかのエリアに所属する無線局として管理してもよいし、複数のエリアに位置する無線局とみなしていずれのエリアが選択された場合においても通信機会を得ることができる無線局として管理してもよい。
【０１２９】
第３の実施形態におけるアンテナ装置の特徴は、第１エリア１１５ａと第３エリア１１７ａとが相互にオーバーラップなく独立に扱えること、及び第２エリア１１６ｂと第４エリア１１８ｂとが相互にオーバーラップなく独立に扱えることが担保されている点である。アンテナ装置が備える第１垂直平面アンテナ１１１から第４垂直平面アンテナ１１４それぞれに配置されているアンテナ素子が、配置されている側の片側方向のみに指向性利得を有していれば、概ね問題とはならない。
【０１３０】
図８は、第３の実施形態におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。図８に示すように、基地局装置は、アンテナ装置１００ｂ、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐ及びベースバンド処理回路９３を備えている。アンテナ装置１００ｂは、第１垂直平面アンテナ５０ａ、第２垂直平面アンテナ７０ａ、第３垂直平面アンテナ５０ｂ、第４垂直平面アンテナ７０ｂ、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐ及びタイミング管理回路９４を備えている。第１垂直平面アンテナ５０ａは、アンテナ素子５１〜５８を備えている。第２垂直平面アンテナ７０ａは、アンテナ素子７１〜７８を備えている。第３垂直平面アンテナ５０ｂは、アンテナ素子５９〜６６を備えている。第４垂直平面アンテナ７０ｂは、アンテナ素子７９〜８６を備えている。
【０１３１】
図８に示す構成例において、ベースバンド処理回路９３を、説明を簡単にするために、各ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐが入出力する信号を処理する回路として一つの処理ブロックとして記載している。また、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐ及びベースバンド処理回路９３は、各アンテナ素子５１〜６６及びアンテナ素子７１〜８６を介して送信する信号に対する送信処理と、各アンテナ素子５１〜６６及びアンテナ素子７１〜８６で受信した信号に対する受信処理とを行う。説明の便宜上、図１に示した第１の実施形態と同数の１６系統のＲＦ回路９２ａ〜９２ｐを基地局装置が備える構成にしている。
【０１３２】
また、第１垂直平面アンテナ５０ａと第３垂直平面アンテナ５０ｂとが同時に通信に用いられ、第２垂直平面アンテナ７０ａと第４垂直平面アンテナ７０ｂとが同時に通信に用いられる構成にしたので、各垂直平面アンテナが８個のアンテナ素子を備える構成とした。勿論、各垂直平面アンテナが備えるアンテナ素子の数は８個以外の数でもよい。各垂直平面アンテナは、９個以上のアンテナ素子を備えてもよい。また、アンテナ素子の数は、２次元的なマトリックス状の配列において行数と列数とを一致させる数でなくともよい。本発明におけるアンテナ装置は、アンテナ装置１００ｂに対応する。
【０１３３】
第１垂直平面アンテナ５０ａ、第２垂直平面アンテナ７０ａ、第３垂直平面アンテナ５０ｂ及び第４垂直平面アンテナ７０ｂそれぞれに備えられる各アンテナ素子は、図１８や図１９に示した配置のように、水平面に射影した際に各アンテナ素子の射影点が重ならないように配置されている。第３の実施形態では、アンテナ装置が四つの垂直平面アンテナを備える構成について説明するが、六つ以上の偶数面の垂直平面アンテナを組み合わせた構成に拡張することが可能である。偶数面とする意味は、全ての垂直平面アンテナのアンテナ素子が配列される垂直平面の法線方向においてアンテナ素子の指向特性が強い向きが１８０度異なる垂直平面アンテナがペアになる配置をするためである。
【０１３４】
第３の実施形態の基地局装置において、第１垂直平面アンテナ５０ａと第３垂直平面アンテナ５０ｂとのペアを用いて通信する際、第１エリア１１５ａに位置する無線局への指向性制御は実質的には第１垂直平面アンテナ５０ａの各アンテナ素子に接続されたＲＦ回路９２ａ〜９２ｈを介してベースバンド処理回路９３が行う。また、第３エリア１１７ａに位置する無線局への指向性制御は実質的には第３垂直平面アンテナ５０ｂの各アンテナ素子に接続されたＲＦ回路９２ｉ〜９２ｐを介してベースバンド処理回路９３が行う。
【０１３５】
ここで、第１垂直平面アンテナ５０ａのアンテナ素子５１は切替スイッチ９５ａと、アンテナ素子５２は切替スイッチ９５ｂと、アンテナ素子５８は切替スイッチ９５ｈと接続されている。第３垂直平面アンテナ５０ｂのアンテナ素子５９は切替スイッチ９５ｉと、アンテナ素子６５は切替スイッチ９５ｏと、アンテナ素子６６は切替スイッチ９５ｐと接続されている。また、第２垂直平面アンテナ７０ａのアンテナ素子７１は切替スイッチ９５ａと、アンテナ素子７２は切替スイッチ９５ｂと、アンテナ素子７８は切替スイッチ９５ｈと接続されている。第４垂直平面アンテナ７０ｂのアンテナ素子７９は切替スイッチ９５ｉと、アンテナ素子８５は切替スイッチ９５ｏと、アンテナ素子８６は切替スイッチ９５ｐと接続されている。
【０１３６】
このとき、ベースバンド処理回路９３は、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｈとＲＦ回路９２ｉ〜９２ｐとを区別することなく、全体のＲＦ回路９２ａ〜９２ｐで一括して信号処理を行っても問題ない。ないしはベースバンド処理回路９３を二つに分け、一方のベースバンド処理回路がＲＦ回路９２ａ〜９２ｈに対応して信号処理を行い、他方のベースバンド処理回路がＲＦ回路９２ｉ〜９２ｐに対応して信号処理を行うことも可能である。これは、第１エリア１１５ａに位置する無線局に対する指向性制御を行う際には、各無線局との間のチャネル推定結果を基に送受信ウエイトを決定するが、第３エリア１１７ａに位置する無線局と第１垂直平面アンテナ５０ａのアンテナ素子５１〜５８との間のチャネル推定を行っても、逆向きの指向性故に殆ど信号は受信できないので第１エリア１１５ａと第３エリア１１７ａとの間にまたがる送受信ウエイトは無視可能（つまり、成分としてはゼロ）なためである。しかしごく希に、反射波の影響でエリア間にまたがる信号が漏洩する場合があるが、全体のＲＦ回路９２ａ〜９２ｐで一括して信号処理を行う構成とすれば、垂直平面アンテナ５０ａ、５０ｂの間の信号の漏れ込みないしは垂直平面アンテナ７０ａ、７０ｂの間の信号の漏れ込を考慮した信号処理が可能であり、その中で干渉成分の影響を抑えることができる。
【０１３７】
このように、第３の実施形態の基地局装置は、異なるエリアの信号を一括してベースバンド処理を行うことが可能である。また、基地局装置は、反射波による相互の信号の漏れ込みを無視すれば、実質的にはＲＦ回路９２ａ〜９２ｈとＲＦ回路９２ｉ〜９２ｐとを用いて独立にベースバンドの信号処理を行うことができる。
【０１３８】
第３の実施形態の基地局装置が信号を送信する場合、ベースバンド処理回路９３は、送信すべき信号に対して指向性制御の符号化処理を行い、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐに対応した信号を出力する。この際、第３の実施形態では、ベースバンド処理回路９３がＲＦ回路９２ａ〜９２ｐに出力する信号系列に対して一括して信号処理を行う構成としてもよいし、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｈとＲＦ回路９２ｉ〜９２ｐとに対応させて、それぞれ個別の信号処理を行う構成としてもよい。ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐそれぞれにおいて、Ｄ／Ａ変換器が、ベースバンド処理回路９３から出力されたベースバンド信号をアナログ信号に変換する。周波数変換器が、アナログ信号を無線周波数の信号にアップコンバートする。フィルタが、無線周波数の信号に含まれる帯域外信号を除去する。ＨＰＡが、帯域外信号が除去された信号を増幅し、ＴＤＤスイッチを経由して切替スイッチ９５ａ〜９５ｐに出力する。
【０１３９】
切替スイッチ９５ａ〜９５ｐそれぞれは、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐから出力される信号を、第１垂直平面アンテナ５０ａ及び第３垂直平面アンテナ５０ｂへ出力するか、第２垂直平面アンテナ７０ａ及び第４垂直平面アンテナ７０ｂへ出力するかを切り替える。切替スイッチ９５ａ〜９５ｐは、タイミング管理回路９４の制御に応じて、出力先を切り替える。タイミング管理回路９４は、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐにおける切り替えを連動させて制御する。タイミング管理回路９４は、切替スイッチ９５ａ〜９５ｐにおける出力先を、第１垂直平面アンテナ５０ａ及び第３垂直平面アンテナ５０ｂと第２垂直平面アンテナ７０ａ及び第４垂直平面アンテナ７０ｂとのいずれか一方にする切り替えを行わせる。
【０１４０】
第３の実施形態の基地局装置が信号を受信する場合、第１垂直平面アンテナ５０ａが備える各アンテナ素子５１〜５８で受信された信号と、第２垂直平面アンテナ７０ａが備える各アンテナ素子７１〜７８で受信された信号とが切替スイッチ９５ａ〜９５ｈに入力される。第３垂直平面アンテナ５０ｂが備える各アンテナ素子５９〜６６で受信された信号と、第４垂直平面アンテナ７０ｂが備える各アンテナ素子７９〜８６で受信された信号とが切替スイッチ９５ｉ〜９５ｐに入力される。
【０１４１】
切替スイッチ９５ａ〜９５ｐは、タイミング管理回路９４の制御に応じて、第１垂直平面アンテナ５０ａの各アンテナ素子で受信された信号と第３垂直平面アンテナ５０ｂの各アンテナ素子で受信された信号との組み合わせと、第２垂直平面アンテナ７０ａの各アンテナ素子で受信された信号と第４垂直平面アンテナ７０ｂの各アンテナ素子で受信された信号との組み合わせとのいずれか一方の信号の組み合わせを選択する。切替スイッチ９５ａ〜９５ｐは、選択した組み合わせの信号を対応するＲＦ回路９２ａ〜９２ｐに出力する。
【０１４２】
ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐにおいて、ＬＮＡがＴＤＤスイッチを経由して切替スイッチ９５ａ〜９５ｐから入力された信号を増幅してフィルタに出力する。フィルタはＬＮＡから出力された信号に含まれる帯域外信号を除去して周波数変換器に出力する。周波数変換器がフィルタから出力された信号に対して周波数変換を行い、当該信号をアナログベースバンド信号にダウンコンバートする。フィルタがアナログベースバンド信号に含まれる帯域外信号を除去してＡ／Ｄ変換器に出力する。Ａ／Ｄ変換器がフィルタから出力される信号をデジタルベースバンド信号に変換してベースバンド処理回路９３に出力する。
【０１４３】
ベースバンド処理回路９３は、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｐから出力される信号系列に対して所定の信号処理を施し、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、様々な通信方式のシステムに対しても共通の説明が可能である。なおこの際、第３の実施形態では、ベースバンド処理回路９３がＲＦ回路９２ａ〜９２ｐから出力される信号系列に対して一括して信号処理を行う構成としてもよいし、ＲＦ回路９２ａ〜９２ｈとＲＦ回路９２ｉ〜９２ｐとに対応させて、それぞれ個別の信号処理を行う構成としてもよい。
【０１４４】
なお、切替スイッチ９５ａ〜９５ｈそれぞれに接続されている第１垂直平面アンテナ５０ａと第２垂直平面アンテナ７０ａとのアンテナ素子は、図２０に示した例と同様にそれぞれのアンテナにおける相対的な位置が一致している。しかし、第３の実施形態における基地局装置においては、図２０の場合と異なり、第１垂直平面アンテナ５０ａと第２垂直平面アンテナ７０ａとにおけるアンテナ素子の相対的な位置が一致している必要はなく、異なる位置のアンテナ素子が切替スイッチ９５ａ〜９５ｈに接続されていてもよい。同様に、切替スイッチ９５ｉ〜９５ｐそれぞれに接続されている第３垂直平面アンテナ５０ｂと第４垂直平面アンテナ７０ｂとのアンテナ素子の相対的な位置が異なっていてもよい。
【０１４５】
各実施形態において説明したように、アンテナ装置は、複数の垂直平面アンテナ、複数の切替スイッチ及びタイミング管理回路を備える。各垂直平面アンテナは、平面又は平面に近似可能な曲面である準平面上に行方向及び列方向に二次元配置された複数のアンテナ素子を有し、１８０度を超える広い角度に亘る範囲を通信可能範囲にするように配置される。各切替スイッチは、少なくとも二つの異なる垂直平面アンテナが有するアンテナ素子と接続され、接続された前記アンテナ素子から一つのアンテナ素子を選択する。タイミング管理回路は、複数の切替スイッチに対して同じタイミングで選択を切り替えさせる。また、複数の切替スイッチで選択されるアンテナ素子を備える垂直平面アンテナは、一つであるか、ないしは二つ以上である場合には垂直平面アンテナの送受信可能な領域に重複がない。アンテナ装置は、上記の構成を有することにより、アンテナ間における信号の混在を抑えることができ、複数の無線局との間のチャネル情報の相関を抑制することが可能となる。これにより、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加させることができる。
【０１４６】
［各実施形態の構成によるシミュレーション結果］
関連技術において説明したように、図１８又は図１９に示したようなアンテナ素子の配置を有する垂直平面アンテナを用いることにより、エリア内に位置し見通し環境に位置する無線局と垂直平面アンテナの各アンテナ素子との間のチャネル情報の相関を低減することができる。複数の垂直平面アンテナを同時に用いる場合、異なる垂直平面アンテナのアンテナ素子からの信号が高い受信レベルで相互に混信しないときに、チャネル相関の低減が効率的に機能する。この状況を、シミュレーション計算によって得られた結果を基に説明する。
【０１４７】
図９は、四つの垂直平面アンテナを用いた構成において異なる垂直平面アンテナ間で信号の混在がある場合とない場合との特性評価結果を示す図である。図９（Ａ）に示す特性評価結果を得た際における四つの垂直平面アンテナの配置は、第３の実施形態におけるアンテナ装置のように、四つの垂直平面アンテナを正方形の各辺の位置に配置し、お互いに背中合わせとなる二つの垂直平面上の各アンテナ素子の放射強度が最も強い向きがそれぞれの垂直平面の間で１８０度異なる配置である。また、垂直平面アンテナごとに、５０個のアンテナ素子が備えられている。図９（Ａ）は、１６局の無線局に対して同時に同一周波数上で空間多重を行った場合の希望信号対干渉電力比（ＳＩＲ：Signal to Interference power Ratio）の累積確率密度分布を評価したものである。
【０１４８】
シミュレーション計算は二つの条件で行った。一つ目の条件「無相関２面独立制御」では、図９（Ｂ）に示すように、ペアとなる垂直平面アンテナ３１と垂直平面アンテナ３３とに備えられた合計１００個のアンテナ素子で受信する信号に対して、１００系統のＲＦ信号処理とベースバンド信号処理とを独立に行う。ここでは、図５に示すように垂直平面アンテナ３１〜３４の各面が、３６０度を４分割した各９０度のエリア内の対応するエリアのユーザと通信を行うものとし、無相関２面独立制御では１６局の無線局を１面当たり８局ずつに分けて収容することとする。一つ目の条件では、通信に用いる複数の垂直平面アンテナそれぞれがカバーするエリアに重複が生じず、信号の混在がない無相関状態での通信を想定している。具体的には、図９（Ｂ）に示すように、無相関２面独立制御では、垂直平面アンテナ３１と垂直平面アンテナ３３とを同時に用いた通信を行い、次の時間（例えば、次のタイムスロット）で垂直平面アンテナ３２と垂直平面アンテナ３４とを同時に用いた通信を行う。
【０１４９】
二つ目の条件「有相関４面独立制御」では、図９（Ｃ）に示すように、四つの垂直平面アンテナ３１〜３４に備えられた合計２００個のアンテナ素子で受信する信号に対して、２００系統のＲＦ信号処理とベースバンド信号処理とを独立に行う。ここでは、図５に示す例とは異なり３６０度を一括して収容するため、有相関４面独立制御では３６０度を４分割した各９０度のエリアにそれぞれ４局ずつを配置し、１６局の無線局が概ね一様に配置されている状態で同時に通信を行うものとする。二つ目の条件では、通信に用いる複数の垂直平面アンテナそれぞれがカバーするエリアに重複が生じ、各垂直平面アンテナで受信する信号に混在がある有相関状態での通信を想定している。具体的には、図９（Ｃ）に示すように、有相関４面独立制御では、四つの垂直平面アンテナ３１〜３４を同時に用いた通信を行う。この条件においては、例えば垂直平面アンテナ３１と垂直平面アンテナ３２との双方から信号を送受信する無線局などは、反射波を想定せずとも複数の垂直平面アンテナからの信号を同時に送受信することになる。
【０１５０】
図９（Ｃ）に示す有相関４面独立制御で通信に用いるアンテナ素子の数は、無相関２面独立制御で通信に用いるアンテナ素子の数に対して２倍になる。通信に用いるアンテナ素子の数が増加することにより、本来であれば分解能が向上することが期待される。しかし、図９（Ａ）に示すシミュレーション計算の結果を見ると、通信に用いるアンテナ素子の数が少ない無相関２面独立制御の方が有相関４面独立制御より良い特性評価結果を得ていることが分かる。
【０１５１】
図９（Ａ）に示したグラフにおいては、高ＳＩＲ値ほど干渉は少ないため、全体的にグラフが右側に位置する方が特性は良好であり、（Ｂ）無相関独立２面制御の方が（Ｃ）有相関独立４面制御よりも全体的に右側に位置することが分かる。特に特性が劣悪な低ＳＩＲ領域においてはその傾向が顕著である。この結果、実際に通信を行った際の符号誤り率などは更に大きな差となって表れることが予想される。すなわち、シミュレーション計算の結果より、アンテナ素子の配置を一つの平面上で最適化したとしても、別の異なる平面に配置されたアンテナ素子からの信号が混在して受信できる状態では、折角のアンテナ素子配置の最適化状態が破れてしまい、アンテナ素子配置の最適化の効果を存分に活用できていない状況になることが分かる。
【０１５２】
図１０は、第２の実施形態におけるアンテナ装置と第３の実施形態におけるアンテナ装置との特性評価結果を示す図である。第２の実施形態におけるアンテナ装置は、図１０（Ｃ）に示すように、複数の垂直平面アンテナを備え、常にいずれか一つの垂直平面アンテナを選択して通信に用いる無相関１面独立制御を行う。第３の実施形態におけるアンテナ装置は、図１０（Ｂ）に示すように、複数の垂直平面アンテナを備え、カバーするエリアに重複がない二つの垂直平面アンテナを同時に通信に用いる無相関２面独立制御を行う。無相関２面独立制御は、図９（Ｂ）において示した制御である。
【０１５３】
第２の実施形態のアンテナ装置は、複数の垂直平面アンテナを備えるが、通信に用いる垂直平面アンテナを一つに限定している。ここでは、比較対象の第３の実施形態のアンテナ装置と同じ数のアンテナ素子を通信に用いるように、第２の実施形態のアンテナ装置の各垂直平面アンテナに備えられるアンテナ素子の数を倍にしている。すなわち、第２の実施形態のアンテナ装置においては各垂直平面アンテナに１００個のアンテナ素子を配置し、第３の実施形態のアンテナ装置においては各垂直平面アンテナに５０個のアンテナ素子を配置した場合のシミュレーション計算を行った。図１０（Ｂ）では、図５に示すように垂直平面アンテナ３１〜３４の各面が、３６０度を４分割した各９０度のエリア内の対応するエリアのユーザと通信を行うものとし、１６局の無線局を１面当たり８局ずつに分けて収容することとする。一方、図１０（Ｃ）では同時にサービスするのは１面のみなので、各垂直平面アンテナ３１〜３４に対応する一つのエリアに１６局の無線局を配置して評価を行うことになる。
【０１５４】
図１０（Ａ）に示すＳＩＲ特性によれば、累積確率密度分布の全領域で、大幅に「（Ｂ）無相関独立２面制御」の方が「（Ｃ）無相関独立１面制御」よりもグラフが右側に位置し、つまり特性的に優れていることが分かる。細かな評価条件により状況が異なりうるために常に同様のＳＩＲ特性が得られるとは限らないが、一般論として無相関独立１面制御より無相関独立２面制御の方が優れる可能性が高いことが分かる。
【０１５５】
このように、本発明の特徴は、図１８、図１９に示したようなアンテナ素子の配置の最適化が施された垂直平面アンテナの運用において、異なる面の垂直平面アンテナからの信号が強い信号強度で混在する状況を回避し、図１８、図１９に示したようなアンテナ素子の配置の最適化状態を維持したままで通信を行う構成とした点にある。このため、他の垂直平面からの信号が混信することを回避するための構成として、タイミング管理回路９４及び切替スイッチ９５ａ〜９５ｐを備えている。１面の垂直平面アンテナのみを単独で運用する場合（第１、第２の実施形態）には、当然の結果として他の垂直平面アンテナからの信号は混在しない。一方、同時に複数面の垂直平面アンテナを運用する場合（第３の実施形態）においては、同時に通信を行う垂直平面アンテナの最大指向性方向を１８０度相反する向きにすることで、それぞれの垂直平面アンテナ間における信号の漏れ込みを最小化する構成としている。
【０１５６】
［実施形態全般に関する補足事項］
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。例えば、図１及び図８に示した切替スイッチ９５ａ〜９５ｐは、如何なる構成で実現してもかまない。切替スイッチ９５ａ〜９５ｐの切り替え時間に対する要求条件がそれほど厳しくなければ、機械的なスイッチで切り替えても構わない。また、高速な切り替えが必要であれば、ＰＩＮダイオードなどの半導体で構成されるスイッチを用いても構わない。
【０１５７】
また、第２の実施形態において示した基地局装置であれば、任意の複数面の垂直平面アンテナを組み合わせて構成することが可能である。また、アンテナ装置は、必ずしも３６０度の全方位を満遍なくカバーする必要はなく、例えば図２において示した３面構成のうち１面を省略した２面構成としても構わない。
【０１５８】
また、第３の実施形態において示した基地局装置では、４面の垂直平面アンテナを組み合わせた構成を説明した。しかし、上述したように、第３の実施形態の基地局装置の特徴の一つは、指向性的に無相関になる複数面の垂直平面アンテナを同時に通信に用いて、各垂直平面アンテナの信号を独立のＲＦ回路９２ａ〜９２ｐ及びベースバンド処理回路９３が並行して処理する構成である。この特徴を維持すれば、アンテナ装置を構成する垂直平面アンテナの面数は、６面や８面などの偶数面の垂直平面アンテナを組み合わせ、各垂直平面アンテナをペアにして用いてもよい。例えば、ペアにした垂直平面アンテナは、アンテナ素子を配置する平面が平行になり、アンテナ素子を配置する面がペアをなす垂直平面アンテナが外側を向くように、垂直平面アンテナを背中合わせに配置する。各垂直平面アンテナを配置した際の形状は、例えば図４に示した正方形、正六角形などの変数が偶数の正多角形としてもよい。
【０１５９】
また、この第３の実施形態においても必ずしも３６０度の全てをカバーする必要はなく、例えば図４に示した四つの垂直平面アンテナの配置において、第４垂直平面アンテナ１１４を省略して３面相当の２７０度程度のエリアをカバーする構成で運用しても構わない。この場合、単純に第４垂直平面アンテナ１１４を省略する構成（この場合、切り替えスイッチ９５ｉ〜９５ｐの片側を終端する）としてもよい。ないしは第４垂直平面アンテナ１１４を第２垂直平面アンテナ側に付け足して配置し、第２エリア１１６ａの無線局に対して第１エリア１１５ａ及び第３エリア１１７ａの無線局に比べて２倍のアンテナ素子数で制御を行う構成としてもよい。
【０１６０】
また、本明細書の背景技術の記載において、アンテナ素子数の大規模化に伴い、基地局装置と無線局との間の送受信ウエイトの算出を簡易に処理するための技術として、非特許文献１〜４に記載の大規模アンテナシステムを紹介した。また、大規模アンテナシステムのような基地局装置と無線局との間で見通し環境が期待できるシステムの例について説明した。しかし、図１８及び図１９に示したようにアンテナ素子を配置したアンテナを用いることでチャネル相関を低減させることは、図１１に示した大規模アンテナシステムのみで必要となる技術ではなく、一般的な無線通信システムにも適用可能である。例えば、無線局が移動するモバイル環境においても、基地局装置と無線局とが比較的近距離に位置する場合には、その近さ故に見通し環境となる可能性が高まる。図１８及び図１９に示したアンテナ素子の配置によるチャネル相関の低減効果は、基地局装置と無線局とが見通し環境にあることで、見通し波の受信電力が反射波の受信電力よりも十分に高く、受信信号における見通し波の影響が支配的である場合に得られる。このような条件が満たされれば、モバイル環境を含む広く一般的な無線通信システムにも適用可能である。
【０１６１】
なお、当然ながら、上述した実施の形態及び複数の変形例は、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及び変形例では、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。
【産業上の利用可能性】
【０１６２】
１８０度を超える広い角度に亘り存在する複数の無線局との間のチャネル情報の相関を抑制することが不可欠な用途にも適用できる。
【符号の説明】
【０１６３】
１…基地局
２…無線局
３…見通し波
４…構造物による安定反射波
５、６…多重反射波
７…構造物
１０…アンテナ素子
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉ、１１ｊ、１１ｋ…マーカ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈ、１２ｉ、１２ｊ、１２ｋ…マーカ
２１…水平面
２２…垂直平面
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、２３ｇ、２３ｈ、２３ｉ…アンテナ素子
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、２４ｇ、２４ｈ、２４ｉ…射影点
３１、３２、３３、３４…垂直平面アンテナ
５０、５０ａ…第１垂直平面アンテナ
５０ｂ…第３垂直平面アンテナ
５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９、６０、６１、６２、６３、６４、６５、６６、７１、７２、７３、７４、７５、７６、７７、７８、７９、８０、８１、８２、８３、８４、８５、８６…アンテナ素子
７０，７０ａ…第２垂直平面アンテナ
７０ｂ…第４垂直平面アンテナ
９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｏ、９１ｐ…分配結合器
９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｈ、９２ｉ、９２ｏ、９２ｐ…ＲＦ回路
９３…ベースバンド処理回路
９４…タイミング管理回路
９５ａ、９５ｂ、９５ｃ、９５ｈ、９５ｉ、９５ｏ、９５ｐ…切替スイッチ
１００ａ、１００ｂ…アンテナ装置
１０１、１１１…第１垂直平面アンテナ
１０２、１１２…第２垂直平面アンテナ
１０３、１１３…第３垂直平面アンテナ
１０４、１１５ａ、１１５ｂ…第１エリア
１０５、１１６ａ、１１６ｂ…第２エリア
１０６、１１７ａ、１１７ｂ…第３エリア
１１４…第４垂直平面アンテナ
１１８ａ、１１８ｂ…第４エリア
【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１４】
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